本發(fā)明涉及一種運(yùn)算放大器，尤其涉及一種具有高壓擺率(slew rate)的運(yùn)算放大器。

背景技術(shù)：

運(yùn)算放大器(operational amplifier)廣泛應(yīng)用于各種電路中，用來實(shí)現(xiàn)不同功能，如信號放大、穩(wěn)定輸出、信號驅(qū)動等。舉例來說，在液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)的源極驅(qū)動電路中，其輸出端往往需使用運(yùn)算放大器作為緩沖器(buffer)，以驅(qū)動面板上的數(shù)據(jù)線。隨著面板分辨率愈來愈高，對畫質(zhì)的要求也逐漸提升，畫面的幀率(frame rate)也隨之而提升。在此情形下，大幅提高了緩沖器驅(qū)動數(shù)據(jù)線的速度要求，因此，運(yùn)算放大器需具備高壓擺率以滿足此要求。

傳統(tǒng)上，高壓擺率往往是通過較大的偏置電流(bias current)來實(shí)現(xiàn)。在一般運(yùn)算放大器中，偏置電流源所輸出的偏置電流大小與壓擺率成正比，當(dāng)偏置電流愈大時，驅(qū)動輸出端到達(dá)預(yù)定電壓的速度也愈快。然而，在偏置電流較大的情況下，運(yùn)算放大器的耗電也隨之而增加。再者，源極驅(qū)動電路所需的運(yùn)算放大器數(shù)量十分龐大，故整體增加的電源消耗相當(dāng)可觀。

對此，業(yè)界已提出多種同時解決運(yùn)算放大器壓擺率以及耗電問題的方法，例如，臺灣專利第I328341號、臺灣專利第I349425號及臺灣專利第I344262號都提出了一種方法，其可在輸出電壓距離預(yù)定電壓較遠(yuǎn)時提升偏置電流的大小以提高壓擺率，使得輸出電壓加速到達(dá)預(yù)定電壓，并在輸出電壓接近預(yù)定電壓時降低偏置電流的大小以節(jié)省耗電。然而，隨著液晶顯示器的分辨率的提升以及高幀率的需求，上述解決方案已不敷使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，實(shí)有必要提出另一種運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，可同時滿足高壓擺率及低耗電的需求，以用于具有高分辨率與高幀率的液晶顯示器的驅(qū)動電路。

本發(fā)明公開一種運(yùn)算放大器，其包含一輸入單元、一輸出單元、一放大單元及一控制單元。該輸入單元可用來接收一差分輸入電壓，以產(chǎn)生一偏置電流。該輸出單元包含一第一晶體管及一第二晶體管，可用來產(chǎn)生一輸出電壓。該放大單元耦接于該輸入單元及該輸出單元之間，可用來接收該偏置電流，以根據(jù)該偏置電流控制該第一晶體管及該第二晶體管開啟或關(guān)閉，進(jìn)而控制該輸出電壓的大小。該控制單元耦接于該放大單元，可用來接收該差分輸入電壓，并在該差分輸入電壓的差異大于一臨界值時，輸出一增益電流(gain current)到該放大單元。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有一運(yùn)算放大器的示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器的示意圖。

圖3為圖2中控制單元的一種實(shí)施方式的示意圖。

圖4為圖2中運(yùn)算放大器的一種實(shí)施方式的示意圖。

其中，附圖標(biāo)記說明如下：

10、20 運(yùn)算放大器

102、202 輸入單元

104、204 放大單元

106、206 輸出單元

108 補(bǔ)償電容單元

VDD、VSS 電源

VB1 偏置電壓

V+ 正輸入電壓

V- 負(fù)輸入電壓

Vout 輸出電壓

S1、S2、404_1、404_2 偏置電流源

210 控制單元

Ib、Ibp、Ibn 偏置電流

Ig、Igp、Ign 增益電流

302 比較器

304_1、304_2 增益電流源

Mp1～Mp8、Mn1～Mn8 晶體管

Mp9、Mn9 輸出晶體管

Ctlp、Ctln、Np1、Nn1 端點(diǎn)

Np2、Nn2 輸出端點(diǎn)

C1、C2 電容

具體實(shí)施方式

請參考圖1，圖1為現(xiàn)有一運(yùn)算放大器10的示意圖。如圖1所示，運(yùn)算放大器10包含一輸入單元102、一放大單元104、一輸出單元106及一補(bǔ)償電容單元108。運(yùn)算放大器10可接收電源VDD及VSS以及偏置電壓(bias voltage)VB1以進(jìn)行運(yùn)作，其中，輸入單元102可接收一差分輸入電壓，其包含一正輸入電壓V+及一負(fù)輸入電壓V-。輸出單元106則產(chǎn)生一輸出電壓Vout。輸入單元102并包含偏置電流源(bias current source)S1及S2，用來提供運(yùn)算放大器10運(yùn)作所需的電流。當(dāng)正輸入電壓V+發(fā)生變化時，運(yùn)算放大器10的運(yùn)作可使負(fù)輸入電壓V-追隨正輸入電壓V+變化。若將用來接收負(fù)輸入電壓V-的輸入端連接于運(yùn)算放大器10的輸出端，可形成一緩沖器，其可作為驅(qū)動電路(例如液晶顯示器的源極驅(qū)動電路)的輸出端。在此情形下，當(dāng)正輸入電壓V+發(fā)生變化時，輸出電壓Vout會隨著正輸入電壓V+進(jìn)行變化。

如上所述，若欲使輸出電壓Vout隨著正輸入電壓V+變化的速度增加，需提升運(yùn)算放大器10的壓擺率，此時，可調(diào)整偏置電流源S1及S2使其輸出更大的偏置電流，然而，當(dāng)偏置電流增加時，運(yùn)算放大器10的耗電量也同步增加。為解決此問題，本發(fā)明可在運(yùn)算放大器10中加入一控制單元，當(dāng)正輸入電壓V+與負(fù)輸入電壓V-的差異較大時，啟動控制單元的運(yùn)作使得負(fù)輸入電壓V-追隨正輸入電壓V+變化的速度加快，平時則關(guān)閉控制單元以節(jié)省電源消耗。

詳細(xì)來說，請參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例一運(yùn)算放大器20的示意圖。如圖2所示，運(yùn)算放大器20包含一輸入單元202、一放大單元204、一輸出單元206及一控制單元210。輸入單元202可接收一差分輸入電壓，并產(chǎn)生一偏置電流Ib。放大單元204耦接于輸入單元202及輸出單元206，可用來接收偏置電流Ib，以根據(jù)偏置電流Ib來控制輸出單元206中的輸出晶體管開啟或關(guān)閉，進(jìn)而控制輸出電壓Vout的大小。在一實(shí)施例中，為使運(yùn)算放大器20的運(yùn)作穩(wěn)定，可在放大單元204及輸出單元206之間設(shè)置一補(bǔ)償電容單元，用來進(jìn)行頻率補(bǔ)償?？刂茊卧?10耦接于放大單元204，可接收差分輸入電壓(即正輸入電壓V+與負(fù)輸入電壓V-)，以在差分輸入電壓的差異大于一臨界值時，輸出一增益電流Ig到放大單元204。如圖2所示，在此例中，負(fù)輸入電壓V-等于輸出電壓Vout，表示運(yùn)算放大器20的負(fù)輸入端與輸出端相連，代表運(yùn)算放大器20作為緩沖器的情形。該緩沖器可接收電壓Vin并輸出電壓Vout。但在其它實(shí)施例中，負(fù)輸入電壓V-也可能不等于輸出電壓Vout，例如，當(dāng)運(yùn)算放大器20的輸出端通過電阻與負(fù)輸入端相連時，輸出電壓Vout可能與負(fù)輸入電壓V-具有特定關(guān)系(例如成正比)但不相等。在另一實(shí)施例中，運(yùn)算放大器20也可不使用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，此時輸出電壓Vout與負(fù)輸入電壓V-無明顯的關(guān)聯(lián)性。

請參考圖3，圖3為控制單元210的一種實(shí)施方式的示意圖。如圖3所示，控制單元210包含一比較器302及增益電流源304_1及304_2。比較器302可接收正輸入電壓V+及負(fù)輸入電壓V-，以比較正輸入電壓V+與負(fù)輸入電壓V-的大小。增益電流源304_1耦接于比較器302，可在正輸入電壓V+大于負(fù)輸入電壓V-且其差異大于臨界值時，輸出增益電流Igp。增益電流源304_2耦接于比較器302，可在負(fù)輸入電壓V-大于正輸入電壓V+且其差異大于臨界值時，輸出增益電流Ign。詳細(xì)來說，當(dāng)正輸入電壓V+上升到大于負(fù)輸入電壓V-且其差異超過一臨界值(即晶體管Mn1的臨界電壓(threshold voltage，Vth))時，晶體管Mn1會開啟，使得端點(diǎn)Ctlp的電壓下降，以開啟晶體管Mp2。此時，增益電流源304_1所產(chǎn)生的增益電流Igp即可通過晶體管Mp2并加以輸出。當(dāng)正輸入電壓V+下降到小于負(fù)輸入電壓V-且其差異超過一臨界值(即晶體管Mp1的臨界電壓)時，晶體管Mp1會開啟，使得端點(diǎn)Ctln的電壓上升，以開啟晶體管Mn2。此時，增益電流源304_2所產(chǎn)生的增益電流Ign即可通過晶體管Mn2并加以輸出。另一方面，當(dāng)正輸入電壓V+的大小接近于或等于負(fù)輸入電壓V-的大小時，晶體管Mn1、Mp1、Mn2及Mp2都不會開啟，因此增益電流源304_1及304_2都不會輸出增益電流。

請參考圖4，圖4為運(yùn)算放大器20的一種實(shí)施方式的示意圖。在圖4中，運(yùn)算放大器20接收電源VDD及VSS以及偏置電壓VB1來進(jìn)行運(yùn)作。其中，控制單元210采用圖3所繪出的架構(gòu)。輸入單元202包含輸入對Mn3、Mn4及輸入對Mp3、Mp4以及偏置電流源404_1、404_2。其中，輸入對Mn3、Mn4及Mp3、Mp4用來接收差分輸入電壓，其包含正輸入電壓V+及負(fù)輸入電壓V-。偏置電流源404_1耦接于輸入對Mn3、Mn4，可用來產(chǎn)生偏置電流Ibp，并輸出偏置電流Ibp到放大單元204。偏置電流源404_2耦接于輸入對Mp3、Mp4，可用來產(chǎn)生偏置電流Ibn，并輸出偏置電流Ibn到放大單元204。偏置電流Ibp、Ibn為恒定的電流，其電流值大小可決定運(yùn)算放大器20的常態(tài)耗電量大小。接著，在放大單元204中，晶體管Mp5～Mp8構(gòu)成一第一電流鏡(current mirror)，晶體管Mn5～Mn8構(gòu)成一第二電流鏡。輸出單元206則包含輸出晶體管Mp9及Mn9。放大單元204可輸出信號來控制輸出晶體管Mp9及Mn9開啟或關(guān)閉，進(jìn)而控制輸出電壓Vout的大小。運(yùn)算放大器20還包含電容C1及C2，用來構(gòu)成補(bǔ)償電容單元，使得運(yùn)算放大器20具有良好的頻率響應(yīng)，可穩(wěn)定進(jìn)行運(yùn)作。

當(dāng)運(yùn)算放大器20作為電路緩沖器或電壓放大器時，輸出端可通過負(fù)反饋的方式耦接于負(fù)輸入端，使得輸出電壓Vout等于負(fù)輸入電壓V-或與負(fù)輸入電壓V-具有特定關(guān)系(例如成正比)。詳細(xì)來說，當(dāng)正輸入電壓V+上升到大于負(fù)輸入電壓V-且其差異超過臨界值時，控制單元210的增益電流源304_1輸出增益電流Igp到放大單元204中的端點(diǎn)Np1；在放大單元204中，晶體管Mp5～Mp8所形成的第一電流鏡可將增益電流Igp反射到放大單元204的一輸出端點(diǎn)Np2，使得輸出端點(diǎn)Np2的電壓下降，以控制輸出晶體管Mp9開啟。在此情形下，輸出單元206的輸出端與電壓源VDD之間的路徑導(dǎo)通，使得輸出電壓Vout上升，并通過負(fù)反饋推升負(fù)輸入電壓V-。當(dāng)負(fù)輸入電壓V-上升到等于正輸入電壓V+時，輸出晶體管Mp9關(guān)閉，控制單元210則停止運(yùn)作，此時運(yùn)算放大器20的耗電僅來自于偏置電流源404_1及404_2，可節(jié)省電源消耗。另一方面，當(dāng)正輸入電壓V+下降到小于負(fù)輸入電壓V-且其差異超過臨界值時，控制單元210的增益電流源304_2輸出增益電流Ign到放大單元204中的端點(diǎn)Nn1；在放大單元204中，晶體管Mn5～Mn8所形成的第二電流鏡可將增益電流Ign反射到放大單元204的一輸出端點(diǎn)Nn2，使得輸出端點(diǎn)Nn2的電壓上升，以控制輸出晶體管Mn9開啟。在此情形下，輸出單元206的輸出端與電壓源VSS之間的路徑導(dǎo)通，使得輸出電壓Vout下降，并通過負(fù)反饋下拉負(fù)輸入電壓V-。當(dāng)負(fù)輸入電壓V-下降到等于正輸入電壓V+時，輸出晶體管Mn9關(guān)閉，控制單元210則停止運(yùn)作，此時運(yùn)算放大器20的耗電僅來自于偏置電流源404_1及404_2，可節(jié)省電源消耗。

上述控制單元210的運(yùn)作可通過增益電流來推動放大單元204及輸出單元206，以在正輸入電壓V+與負(fù)輸入電壓V-的差異較大的瞬間，增加放大單元204中的電流，進(jìn)而提升運(yùn)算放大器20的壓擺率，使得輸出電壓Vout更快產(chǎn)生反應(yīng)。需注意的是，現(xiàn)有技術(shù)是在差分輸入電壓差異較大時，通過比較器的比較來控制偏置電流源輸出較大電流，實(shí)際電流需再通過輸入對的比較才到達(dá)放大單元。相較之下，本發(fā)明是將比較器對差分輸入電壓進(jìn)行比較以后產(chǎn)生的增益電流直接輸入放大單元，而不另外對輸入單元及其輸入對進(jìn)行控制。在此情形下，本發(fā)明的增益電流可直接進(jìn)入放大單元來提升壓擺率，而不需另外通過輸入對。因此，在相同電流大小之下，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)更高的壓擺率，即本發(fā)明的運(yùn)算放大器具有更快的反應(yīng)速度，更適用于具有高分辨率及高幀率的液晶顯示器。

值得注意的是，本發(fā)明可通過控制單元產(chǎn)生增益電流，在正輸入電壓V+與負(fù)輸入電壓V-的差異較大時通過增益電流來提升運(yùn)算放大器的壓擺率，其它時間則關(guān)閉控制單元以節(jié)省耗電。本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可據(jù)此進(jìn)行修飾或變化，而不限于此。舉例來說，上述圖3及圖4的電路結(jié)構(gòu)僅為本發(fā)明眾多實(shí)施方式當(dāng)中的一種，實(shí)際電路可依系統(tǒng)需求進(jìn)行修飾，而不限于此。例如，圖4中的電容C1及C2可根據(jù)頻率響應(yīng)要求，選擇性地進(jìn)行設(shè)置。此外，圖4的運(yùn)算放大器為折疊式共源共柵(folded cascode)結(jié)構(gòu)，但在其它實(shí)施例中，也可采用其它運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，如雙極串接式(two-stage)結(jié)構(gòu)，而不限于此。

在現(xiàn)有技術(shù)中，運(yùn)算放大器的高壓擺率往往通過較大的偏置電流來實(shí)現(xiàn)。在一般運(yùn)算放大器中，偏置電流源所輸出的偏置電流大小與壓擺率成正比，當(dāng)偏置電流愈大時，驅(qū)動輸出端到達(dá)預(yù)定電壓的速度也愈快。然而，在偏置電流較大的情況下，運(yùn)算放大器的耗電也隨之而增加。相較之下，本發(fā)明的運(yùn)算放大器具有獨(dú)立于輸入單元的一控制單元，控制單元可在正輸入電壓與負(fù)輸入電壓的差異較大時，產(chǎn)生增益電流并輸出到放大單元，以提升壓擺率來提高輸出電壓變化的速率，其它時間則關(guān)閉以節(jié)省耗電。在此情形下，本發(fā)明的運(yùn)算放大器可同時滿足高壓擺率及低耗電的需求，適用于具有高分辨率與高幀率的液晶顯示器的驅(qū)動電路。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。