电流调节器的制作方法

本公开涉及一种电流调节器。具体地，本公开涉及一种电流调节器，其包括用于调节流过诸如半导体光源的设备的电流的电流数模转换器idac。

背景

基于发光二极管(led)背光技术的高动态范围显示器需要大量led区来实现亮图像和暗图像之间的高对比度。每个led区——也称为led通道——可用于实现局部调光并创建逼真的图像。每个led通道都需要电流舵(current-steer)数模转换器dac，以用于单独的电流控制。传统的电流dac具有大的饱和输出电压，这增加了功耗。此外，这些电路具有相对大的占用空间(footprint)。

本公开的目的是解决上述限制中的一项或更多项。

概述

根据本公开的第一方面，提供了一种电流调节器，包括耦合到电流舵电路的电压控制器；该电压控制器适于在线性模式下操作电流舵电路。

可选地，电流舵电路包括多个电流单元；其中每个单元以线性模式操作。

可选地，电压控制器包括耦合到第一开关的电流源，该第一开关具有第一端子、第二端子和第三端子；以及电压控制器适于向第一端子提供控制电压以在线性模式下操作第一开关。

例如，第一端子可以是栅极端子，第二端子可以是漏极端子，以及第三端子可以是源极端子。控制电压可以保持在阈值之上。

可选地，电压控制器包括适于提供控制电压的第一差分放大器；并且其中第一差分放大器具有耦合到第二端子的输入端，以调节第一开关的第二端子处的电压。

可选地，电压控制器包括耦合到第二开关的第二差分放大器，第二开关具有第一端子、第二端子和第三端子；其中第二差分放大器具有耦合到第二开关的第三端子的输入端，以调节第二开关的第三端子处的电压。

可选地，电流舵电路具有耦合到第一开关的第三端子的输入端和耦合到第二开关的第三端子的输出端。

可选地，电流舵电路包括多个电流单元，并且其中每个电流单元具有耦合到输入端的第一端和耦合到输出端的第二端。

可选地，电流单元包括至少一个一元单元，该一元单元包括具有耦合到输入端的第一端子和耦合到输出端的第二端子的单个晶体管。

可选地，电流单元包括至少一个二元单元，该二元单元包括串联耦合的一组晶体管，其中该组晶体管中的第一晶体管耦合到输入端，并且其中该组晶体管中的最后一个晶体管耦合到输出端。

可选地，电流调节器包括耦合到电流舵电路的解码器；该解码器被配置为提供多个控制信号来操作电流单元。

根据本公开的第二方面，提供了一种半导体光源驱动器，包括根据第一方面定义的电流调节器。

根据本公开的第三方面，提供了一种设备，该设备包括：根据第一方面定义的电流调节器；以及耦合到电流调节器的半导体光源，电流调节器可操作用于调节流过半导体光源的电流。

可选地，该设备是包括多个半导体光源的显示设备，多个光源中的每个半导体光源耦合到相应的电流调节器。

关于本公开的第一方面描述的选项对于本公开的第二和第三方面也是共同的。

根据本公开的第四方面，提供了一种调节电流的方法，该方法包括：提供电流舵电路；以及以线性模式操作电流舵电路。

可选地，电流舵电路包括多个电流单元；并且其中每个电流单元以线性模式操作。

根据本公开的第四方面的方法可以共享如上面和本文所述的第一方面的特征。

附图说明

在下面通过示例并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：

图1是传统led驱动器电路的图；

图2是另一个led驱动器电路的图；

图3是图2的电路的示例性实施例；

图4是根据本公开的电流调节器的图；

图5是图4的调节器的示例性实施例；

图6是图4的调节器的另一示例性实施例；

图7是说明在不同操作区域中工作的晶体管的电流标准偏差的表格；

图8是图4的调节器的另一示例性实施例；

图9是用于调节电流的方法的流程图；

图10是显示设备。

图1示出用于驱动led或led串的传统驱动器。驱动器包括耦合到电流数模转换器idac120的电流源110、耦合到晶体管140的运算放大器op-amp130。op-amp130具有连接到电流dac120的输出端的非反相输入端、连接到晶体管140的源极端子的反相输入端和连接到晶体管140的栅极端子的输出端。电流dac120具有经由电阻器r1150耦合到地的输出端。晶体管140具有耦合到led180、170的漏极端子和在节点s处经由电阻器rs160耦合到地的源极端子。

在操作中，电流dac120接收数字信号并输出电流，该电流在节点a处被转换成电压va。op-amp130提供与节点a处的电压va和节点s处的电压vs之间的差成比例的控制信号。控制信号向晶体管140提供栅极电压。当电压高于晶体管140的阈值时，电流iled流过晶体管并流过led170、180。

图1的电路很麻烦并且消耗相对大量的电流。由图1的电路实现的最小led电流iled也相对较大，因此限制了可通过其控制光强的灵敏度。电压vs随着led电流的减小而减小。op-amp130需要高于某个值的非反相电压才能正常工作。在低vs时，op-amp130变得不太可靠，因此控制晶体管140的栅极电压的精度较低，从而导致大的led电流误差。

图2示出了用于驱动一组led的驱动器。驱动器包括耦合到电流dac220的电流源210。在该电路中，电流dac的输出端直接耦合到led270、280。在操作中，电流dac220接收控制电流dac220的输出电流的数字信号。该电流是流过led270、280的电流iled。在图2的电路中，不需要op-amp或感测电阻器。因此，电路更简单、更小并且需要更少的功耗。可以实现的最小led电流取决于电流dac220的具体实现。

在图2的电路中，电流dac220被提供为电流阱(currentsink)，然而，将理解，在另一实施例中，电流dac220可以被提供为电流源。

图3图示了用于在图2的电路中使用的示例性电流dac。电流dac经由晶体管321、322耦合到电流源310。晶体管321、322连接到由多个电流单元形成的电流镜舵电路320。晶体管323、325、327形成第一电流单元，晶体管324、326、328形成第二电流单元。第一和第二电流单元可以被称为一元单元；并且可以在电流镜舵电路320内提供更多的一元单元。

每个电流单元在一端连接到节点d并且在第二端连接到节点s。例如，晶体管323具有耦合到节点d的漏极端子和耦合到晶体管325的漏极端子的源极端子。晶体管325的源极端子连接到晶体管327的漏极端子，以及晶体管327的源极端子在节点s处连接到地。

晶体管321、325、322、327被布置成形成级联电流镜。换句话说，晶体管321和晶体管325形成第一电流镜，以及晶体管322和327形成第二电流镜。晶体管321的栅极连接到晶体管325的栅极。晶体管322的栅极连接到晶体管327的栅极。晶体管321的漏极连接到晶体管321的栅极和晶体管322的栅极。

在操作中，电流dac响应于二元输入代码(也称为数字字)产生量化的输出电流iout。电流输出如何可以在离散步长之间变化的度量取决于dac的分辨率。例如，8位dac的分辨率将高于3位dac的分辨率。输出电流通过将参考电流iref分成二元和/或一元(线性)部分来生成。

解码器305接收输入数字信号并生成控制信号以控制dac的一元和二元单元的开关。控制信号驱动电流dac中存在的一元和/或二元单元的开关，使得适当数量的部分被组合以产生输出电流。解码器305提供控制信号，该控制信号也被称为在每个电流单元的第一晶体管处接收的开关信号sw。例如，第一电流单元的晶体管323从解码器305接收栅极控制信号sw<0>。类似地，开关324接收栅极控制信号sw<m>。

晶体管323和324在线性操作区域中操作。剩余的晶体管321、322、325、326、327和328在饱和区域中操作。节点d处的输出电压vd具有如下定义的饱和值:vd＝2vds_sat+vds，其中vds_sat是在饱和区域中操作的开关的漏极到源极电压，而vds是线性区域中的漏极到源极电压。例如，dac输出饱和电压可能高达300毫伏。因此，很难为电流dac提供小的输出值。

图4是根据本公开的调节器的图。图4的系统包括解码器405、电流舵电路420、电压调节器410和半导体光源470。解码器405具有用于接收数字电流或数字信号的输入端和用于向电流舵电路420提供控制信号的输出端。电流舵电路420具有用于从电压调节器410接收电压的输入端。电流舵电路420具有用于向诸如半导体光源470的设备提供电流的输出端。电流舵电路420包括多个电流单元。电流单元可以是一元单元、二元单元或一元单元和二元单元的组合。

每个电流单元可包括一个或更多个晶体管。电流舵电路中的晶体管被连接以形成尺寸可变的大的晶体管，其尺寸取决于有多少晶体管被激活。例如，如果电流舵电路的晶体管是金属氧化物半导体场效应(mosfet)晶体管，则并联耦合在一起的所有晶体管具有唯一的漏极电压和唯一的源极电压。可以单独控制每个晶体管的栅极，以确定应该激活多少晶体管。因此，根据电压调节器510提供的电压，由多个mosfet晶体管形成的大晶体管可以在线性模式下操作。

电流调节器可用于调节各种类型设备中的电流。在图4中，电流调节器调节流过半导体光源470的电流。半导体光源470可以包括形成led显示器的区的多个led。电流调节器可以用作调光器来控制显示器区的亮度。显示器的每个区(通道)只需要一个电流dac来设置led电流。电流dac可用作led电流的电流源或电流阱。

图5是图4的调节器的示例性实施例。电流调节器包括电流舵电路520，其耦合到电压控制器510以用于在线性模式下操作电流舵电路。电压控制器510包括耦合到第一开关513的适于提供参考电流iref的电流源511。第一开关513具有被称为控制端子的第一端子、以及第二端子和第三端子。例如，控制端子可以是栅极端子、第二端子可以是漏极端子和第三端子可以是源极端子。

在操作中，控制端子接收控制电压vcon以在线性模式下操作开关513。第一端子和第二端子之间的电压，例如开关513的栅极到源极电压vgs保持在某个值以上，使得开关513以线性模式操作。结果，设置在电流舵电路520中的开关521、522和523也以线性模式操作。

图6是图4的调节器的另一示例性实施例。图6的系统包括耦合到舵电路620的电压调节器610。电压调节器610包括电流源611、第一差分放大器612、第一开关m1613以及耦合到第二开关m2615的第二差分放大器614。在这个示例中，第一和第二差分放大器由运算放大器或op-amp提供。第一op-amp612具有在节点a处耦合到电流源611的非反相输入端、以及耦合到参考电压的反相输入端。第一op-amp612的输出端耦合到开关613的控制端子，例如栅极端子。开关613的漏极端子在节点a处耦合到电流源611，开关613的源极端子耦合到接地端子。第二op-amp614具有连接到电流源611的非反相输入端和耦合到第二开关615的源极端子的反相输入端。电路620包括三个一元单元和一个二元单元。然而，应当理解，电路620可以仅由一元单元或仅由二元单元或由一元单元和二元单元的组合构成。

在图6的示例中，晶体管由称为nmos晶体管的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管提供。第一一元单元由单个晶体管m3621提供，该晶体管m3621具有在节点d处耦合到开关615的源极端子的漏极端子，以及在节点s处耦合到地的源极端子。晶体管621的栅极端子被配置为从解码器605接收控制信号。类似地，第二一元单元包括单个晶体管m4622，晶体管m4622具有耦合到节点d的漏极端子、耦合到地的源极端子和被配置为从解码器605接收控制信号的栅极端子。

还提供了二元单元，该二元单元包括与第二晶体管625串联连接的第一晶体管624。第一晶体管624具有耦合到节点d的漏极端子和耦合到晶体管625的漏极端子的源极端子。晶体管625的源极端子连接到地。晶体管624和晶体管625的栅极端子耦合在一起，并被配置为从解码器605接收控制信号。二元单元可以包括2ⁿ个串联耦合的晶体管，其中n是整数。例如，二元单元可以包括串联耦合的四个或八个晶体管。

综合考虑，晶体管m3621、m4622、m5623、m6624和m7625形成具有单个漏极端子节点d、单个栅极端子和单个接地端子节点s的单个大晶体管。该大晶体管可以具有可变尺寸，其尺寸取决于晶体管621、622、623、624和625中有多少晶体管被激活。

在操作中，电流源611提供参考电流iref。第一op-amp612在其非反相输入端接收第一电压vdref，在其反相输入端接收第二电压vref。op-amp612提供与vref和vdref之间的差成比例的电压信号，也称为控制电压vcon。控制电压vcon控制开关613的栅极并调节流过613的电流量。因此，第一op-amp612调节节点a处的电压vdref，使得其保持基本上等于vref。类似地，第二放大器614调节节点d处的电压，使得vd基本上等于vdref，因此基本上等于vref。

节点d处的电压被调节以抑制由制造参数的差异、温度和其它假象引起的电势变化。

解码器605接收数字信号并提供多个控制信号(也称为开关信号sw)，以用于根据解码器605接收的数字信号控制开关621、622、623、624和625。

数字解码器605还接收由第一op-amp612生成的控制电压vcon；并且每个控制信号sw是控制电压vcon的函数。开关信号sw控制打开或关闭多少电流单元。开关信号sw是高或低的逻辑信号。例如，当开关信号为高时，它可能等于vcon，因此打开电流单元；并且当开关信号为低时，它可能等于零，因此关闭电流单元。

因此，在操作中，第一op-amp612与开关613一起控制舵电流电路620的栅极到源极电压vgs。电压vgs被调节，使得电流舵电路620在线性模式下操作。换句话说，控制电压vcon足够高以允许电流舵电路620的mos晶体管在线性区域中工作。

施加到m1的栅极的控制电压vcon＝vg(m1)保持在阈值之上(阈值大于m1的阈值电压vth)，以在线性模式下操作m1。节点a处的漏极电压vd(m1)保持足够低，以在线性模式下操作m1。换句话说，m1的漏极到源极电压vds(m1)保持在阈值以下，以便在线性模式下操作m1。如果晶体管m1和m3具有相同的尺寸，则m1和m3具有相同的栅极-源极电压vgs，以及相同的漏极到源极电压vds(vds(m1)＝vds(m3)和vgs(m1)＝vgs(m3))。因此，流过m1的电流i1等于流过m3的电流i3。

二元单元相比于一元单元可用于生成更小的电流，并提高输出电流的精度。流过二元单元的电流i6将取决于串联设置的晶体管的数量。如果二元单元包括与m1尺寸相同的两个晶体管m6和m7，则i6＝i1/2。更一般地，i6＝i1/二元单元中提供的晶体管数量。

图6的电路提供了许多优点。首先，电流dac的输出饱和电压现在取决于线性区域中mos晶体管的漏极到源极电压，该电压小于饱和区域中的漏极到源极电压。在线性区域中操作的晶体管的漏极到源极电阻rds_on比在饱和区域中操作的相同尺寸的晶体管小得多。结果，有可能为dac获得低得多的输出饱和电压值，从而生成更低的输出电流。作为数值例子，可以实现小于200毫伏的输出饱和。其次，图6的电路具有较小的占用空间。开关电流电路620可以设置有仅需要在线性区域中操作的单个晶体管的一元单元。这与要求多个晶体管饱和工作的现有技术形成对比。因为电流单元的晶体管在线性区域中操作，所以可以使用较小的晶体管来获得相同的电流特性。

图7示出了流过在饱和模式或线性模式中操作的nmos晶体管的1μa电流的标准偏差。对于3.3vnmos晶体管，可以观察到，当以饱和模式操作时，电流的标准偏差为15.8％，而当以线性模式操作时，电流的标准偏差为6.2％。对于5vnmos晶体管，当在饱和模式下工作时，电流的标准偏差为12.2％，当在线性模式下工作时，电流的标准偏差为4.5％，并且当在深度线性模式下工作时，电流的标准偏差为4.1％。

在相同的操作区域中，晶体管的匹配随着晶体管的尺寸而改善。尺寸越大，匹配越好。对于具有相同尺寸和相同电流条件的晶体管，以线性模式操作的晶体管的匹配优于以饱和模式操作的晶体管的匹配。因此，对于相同的精度水平(即相同的电流标准偏差)，当晶体管在线性模式下工作时，可以使用较小的晶体管。

图8图示了图5的调节器的另一示例。在这种情况下，电压调节器810和电流舵电路820使用多个p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管pmos来实现。

电压调节器810包括电流源811、耦合到第一晶体管813的第一op-amp812和耦合到第二开关815的第二op-amp814。第一op-amp812具有耦合到参考电压vref的反相输入端和在节点a’处耦合到电流源811的非反相输入端。第一op-amp812的输出端耦合至晶体管813的栅极。第二op-amp815具有在节点a’处耦合到电流源的非反相输入端和在节点d’处耦合到晶体管815的源极的反相输入端。第二op-amp814的输出端耦合至第二晶体管815的栅极。电流舵电路820包括多个一元单元以及二元单元。

第一电流单元包括单个晶体管821，该晶体管821具有在节点s’处耦合到轨电压vdd的源极端子、耦合到节点d’的漏极端子和配置成从解码器805接收控制信号的栅极端子。类似地，提供第二晶体管822以形成第二一元单元。晶体管822具有在节点s’处耦合到轨电压vdd的源极端子、耦合到节点d’的漏极端子以及被配置为从解码器805接收控制信号的栅极端子。

由串联耦合的晶体管824和825提供二元单元。晶体管824的源极在节点s’处耦合到电压vdd。晶体管824的漏极端子耦合到晶体管825的源极端子，晶体管825的漏极端子耦合到节点d’。晶体管824、825的栅极端子耦合在一起，并被配置为从解码器805接收控制信号。图8的电路以与图7的电路类似的方式操作。

图9是用于调节电流的方法的流程图。在步骤910，提供电流舵电路。在步骤920，电流舵电路以线性模式操作。

图10示出了显示设备。显示设备包括多个led区。每个led区耦合到如上文参考图4至图8所述的相应的电流调节器。

技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，所公开的布置的变化是可能的。例如，将理解，本公开中描述的电流调节器可以用于各种应用中，因此不限于led的控制。因此，仅通过示例的方式而不是为了限制的目的做出具体实施例的以上描述。技术人员将清楚，在没有显著改变的情况下，可以对所描述的操作进行微小的修改。