CN104218905B - 差动放大器及驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种差动放大器及一种驱动电路在此揭露。该差动放大器用以通过一差动电流充电一补偿电容。该差动放大器包括：一输入级、一主要输出级以及一辅助输出级。该输入级用以比较一参考电压以及一反馈电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号。该主要输出级用以充电该补偿电容。该辅助输出级用以操作性地启动以充电该补偿电容。在一第一操作状态下，该主要输出级及该辅助输出级皆对该补偿电容进行充电。在一第二操作状态下，该主要输出级对该补偿电容进行充电，该辅助输出级关闭，以不对该补偿电容进行充电。

Description

差动放大器及驱动电路

技术领域

本发明是有关于一种电子电路。特别是有关于一种驱动电路及其中的差动放大器。

背景技术

发光二极管与传统的灯泡照明工具相较下，估计效率约为传统灯泡的四倍。并且，发光二极管并没有传统的灯泡含有有毒的水银，更拥有较灯泡更长的使用寿命。种种因素下，发光二极管已经成为现代照明科技最新的主流技术。

一般而言，用以驱动发光二极管的驱动电路包括差动放大器，差动放大器用以比较参考电压与反馈电压，以通过差动电流充电补偿电容。补偿电容的充电速度是相应于补偿电容本身的电容大小以及差动电流的大小。在启动期间，高额的差动电流可有助于快速对补偿电容进行充电。然而，在驱动电路启动完成后的运作期间中，如此的高额差动电流可能引发驱动电路的振荡。是以，驱动电路仍需具有高电容值的补偿电容以防止振荡，而高电容值将使得补偿电容的充电速度大幅受限。

因此，针对关于如何决定补偿电容的电容值大小以及差动电流的大小的难题，一种解决之道当被提出。

发明内容

本发明的一方面为一种差动放大器。根据本发明一实施例，该差动放大器包括一输入级、一主要输出级以及一辅助输出级。该输入级用以接收一参考电压以及一反馈电压，并比较该参考电压以及该反馈电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号。该主要输出级用以接收该第一差动输出信号以及该第二差动输出信号，并充电该补偿电容。该辅助输出级用以接收该第一差动输出信号以及该第二差动输出信号，并操作性地启动以充电该补偿电容。在一第一操作状态下，该主要输出级及该辅助输出级皆对该补偿电容进行充电。在一第二操作状态下，该主要输出级对该补偿电容进行充电，该辅助输出级关闭，以不对该补偿电容进行充电。

本发明的另一方面为一种驱动电路。根据本发明一实施例，该驱动电路包括一电感、一驱动晶体管、一差动放大器以及一比较器。该电感电性连接于一供应电源以及一操作节点之间。该驱动晶体管电性连接该操作节点。该差动放大器电性连接一补偿电容。该比较器电性连接该补偿电容，其中该比较器用以比较一斜波电压(ramp voltage)以及该补偿电容的一比较电压，以相应地提供一驱动电压以驱动该驱动晶体管。该差动放大器包括一输入级、一主要输出级以及一辅助输出级。该输入级用以比较一固定电压以及一变动电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号。该主要输出级用以充电该补偿电容。该辅助输出级用以操作性地启动以充电该补偿电容。在一第一操作状态下，该主要输出级及该辅助输出级皆对该补偿电容进行充电。在一第二操作状态下，该主要输出级对该补偿电容进行充电，该辅助输出级关闭，以不对该补偿电容进行充电。

本发明的再一方面为一种差动发大器。根据本发明一实施例，该差动放大器包括一输入级、一第一晶体管、一第二晶体管、一第三晶体管以及一第四晶体管。该输入级用以接收一参考电压以及一反馈电压，并比较该参考电压以及该反馈电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号。该第一晶体管电性连接于一第一电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第一差动输出信号。该第二晶体管，电性连接于一第二电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第二差动输出信号。该第三晶体管电性连接于一第一电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第一差动输出信号。该第四晶体管电性连接于一第二电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第二差动输出信号。在一第一操作状态下，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管皆启动，以令一相对高电流充电该补偿电容。一第二操作状态下，该第一晶体管以及该第二晶体管启动，且该第三晶体管以及该第四晶体管关闭，以令一相对低电流充电该补偿电容。

综上所述，通过应用上述一实施例，一种具备调整差动电流能力的差动放大器可被实现。通过操作性地同时通过差动放大器的主要输出级以及差动放大器的辅助输出级对补偿电容充电、或仅通过差动放大器的主要输出级对补偿电容充电，可实现一种稳定且具有高启动速度的驱动电路。

附图说明

图1为根据本发明一实施例所绘示的驱动电路的示意图；

图2为根据本发明一实施例所绘示的差动放大器的示意图；以及

图3为根据本发明一实施例的驱动电路所绘示的信号时序图。

[标号说明]

10：发光二极管模块 Vin：供应电压

20：电流槽 Vref：参考电压

100：驱动电路 Vfb：反馈电压

110：差动放大器 Vcmp：补偿电压

112：输入级 Vramp：斜波电压

114：主要输出级 Vo：电压

116：辅助输出级 Icmp：差动电流

118：启动模块 I1：主要差动电流

119：计数器 I2：辅助差动电流

L：电感 T1：期间、晶体管

Td：驱动晶体管 T2：期间、晶体管

Q：操作节点 T3：晶体管

R：电阻 T4：晶体管

D：二极管 Vdf1：第一差动输出信号

Co：电容 Vdf2：第二差动输出信号

C：补偿电容 SW：切换信号

MUX1：多工器 VSS、VDD：电压

MUX2：多工器 Vd：驱动电压

具体实施方式

以下将以图式及详细叙述清楚说明本发明内容的精神，任何所属技术领域中具有通常知识者在了解本揭示内容的较佳实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本揭示内容的精神与范围。

关于本文中所使用的『第一』、『第二』、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的『电性连接』，可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，而『电性连接』还可指二或多个元件相互操作或动作。

本发明的一实施态样为一种驱动电路，为使叙述清楚，以下段落将以发光二极管模块的驱动电路为例进行说明，然而本发明不以此为限。

图1为根据本发明一实施例所绘示的驱动电路100的示意图。驱动电路100可包括电感L、驱动晶体管Td(例如是功率金属氧化物半导体场效应晶体管)、差动放大器110、以及比较器CMP。电感L可电性连接供应电压Vin与操作节点Q之间。驱动晶体管Td可电性连接于操作节点Q与电压VSS之间。比较器CMP可电性连接至驱动晶体管Td的栅极端。差动放大器110可电性连接于比较器CMP的一相应输入端。补偿电容C可通过电阻R电性连接至差动放大器110的输出端以及比较器CMP的前述相应输入端。负载(例如是发光二极管模块10)以及电容Co可通过二极管D电性连接至操作节点Q。电流槽(current sink)20可电性连接于发光二极管模块10与差动放大器110的一输入端。在此实施例中，发光二极管模块10可包括多个彼此电性串联及/或并联的发光二极管。

在操作上，差动放大器110用以接收参考电压Vref以及反馈电压Vfb，并比较参考电压Vref以及反馈电压Vfb，以根据比较结果相应地通过差动电流Icmp充电补偿电容C。比较器CMP用以接收并比较补偿电容C的补偿电压Vcmp以及斜波电压(ramp voltage)(例如是锯齿波信号)Vramp，以根据比较结果相应地提供驱动电压Vd以驱动驱动晶体管Td。

驱动晶体管Td用以根据驱动电压Vd操作性地被驱动(即是开启)，以通过电感L释放的电流操作性地充电电容Co。发光二极管模块10用以被电容Co的电压Vo所驱动。电流槽20用以相应于电压Vo提供反馈电压Vfb至差动放大器110，并用以稳定发光二极管模块10。

在本实施例中，差动放大器110可在启动期间中(例如是图3中的期间T1)，通过相对高的差动电流Icmp充电补偿电容C，以缩短驱动电路100的启动期间。另一方面，差动放大器110可在操作期间中(例如是图3中的期间T2)，通过相对低的差动电流Icmp充电补偿电容C，以避免驱动电路100在操作期间中发生振荡。

图2为根据本发明一实施例所绘示的差动放大器110的示意图。在本实施例中，差动放大器110包括输入级112、主要输出级114、辅助输出级116以及启动模块118。输入级112电性连接至主要输出级114、辅助输出级116以及启动模块118。主要输出级114与辅助输出级116皆电性连接至补偿电容C。启动模块118电性连接至主要输出级114以及辅助输出级116。

输入级112用以比较参考电压Vref以及反馈电压Vfb，以根据比较结果相应地提供第一差动输出信号Vdf1以及第二差动输出信号Vdf2。举例而言，在参考电压Vref大于反馈电压Vfb的期间中，输出级112提供第一差动输出信号Vdf1，而在反馈电压Vfb大于参考电压Vref的期间中，输出级112提供第一差动输出信号Vdf2。

主要输出级114用以根据第一差动输出信号Vdf1以及第二差动输出信号Vdf2对补偿电容C进行充电或放电。举例而言，在接收到第一差动输出信号Vdf1的期间中，主要输出级114对补偿电容C进行充电，而在接收到第二差动输出信号Vdf2的期间中，主要输出级114对补偿电容C进行放电。

启动模块118用以接收第一差动输出信号Vdf1、第二差动输出信号Vdf2以及切换信号SW，并用以根据切换信号SW判断是否提供第一差动输出信号Vdf1以及第二差动输出信号Vdf2至辅助输出级116，以启动辅助输出级116。

辅助输出级116用以被启动模块118所启动，以根据第一差动输出信号Vdf1以及第二差动输出信号Vdf2对补偿电容C进行充电或放电。举例而言，在接收到第一差动输出信号Vdf1的期间中，辅助输出级116对补偿电容C进行充电，而在接收到第二差动输出信号Vdf2的期间中，辅助输出级116对补偿电容C进行放电。

在一实施例中，辅助输出级116可以是复制主要输出级114而成。亦即，辅助输出级116用以操作性地启动，以同时提升差动放大器110对补偿电容C的充电电流以及补偿电容C对差动放大器110的放电电流。

在第一操作状态下，主要输出级114通过主要差动电流I1(例如是15mA)充电补偿电容C。辅助输出级116被启动模块118所启动，以通过辅助差动电流I2(例如是150mA)充电补偿电容C。此时，差动电流Icmp等于主要差动电流I1与辅助差动电流I2的总和(例如是165mA)，因而使差动电流Icmp被提升。

在第二操作状态下，主要输出级114通过主要差动电流I1(例如是15mA)充电补偿电容C。辅助输出级116关闭，且不充电补偿电容C。差动电流Icmp等于主要差动电流I1与辅助差动电流I2的总和，然而此时，由于辅助差动电流I2等于0，因而使差动电流Icmp(例如是15mA)下降。

通过如此的设置，一种具备调整差动电流能力的差动放大器可被实现。藉由操作性地同时通过差动放大器的主要输出级以及差动放大器的辅助输出级对补偿电容充电、或仅通过差动放大器的主要输出级对补偿电容充电，可实现一种稳定且具有高启动速度的驱动电路。

以下将对差动放大器110进行更进一步描述，然本发明并不以下述的实施例为限。

在一实施例中，主要输出级114可包括晶体管T1(例如是P型金属氧化物半导体场效应晶体管)以及晶体管T2(例如是N型金属氧化物半导体场效应晶体管)。晶体管T1的第一端可电性连接电压VDD，晶体管T1的第二端可电性连接补偿电容C，晶体管T1的栅极端可接收第一差动输出信号Vdf1。晶体管T2的第一端可电性连接电压VSS，晶体管T2的第二端可电性连接补偿电容C，晶体管T2的栅极端可接收第二差动输出信号Vdf2。

另一方面，辅助输出级116可包括晶体管T3(例如是P型金属氧化物半导体场效应晶体管)以及晶体管T4(例如是N型金属氧化物半导体场效应晶体管)。晶体管T3可电性并联连接于晶体管T1，且晶体管T4可电性并联连接于晶体管T2。晶体管T3的第一端可电性连接电压VDD，晶体管T3的第二端可电性连接补偿电容C，晶体管T3的栅极端可接收第一差动输出信号Vdf1。晶体管T4的第一端可电性连接电压VSS，晶体管T4的第二端可电性连接补偿电容C，晶体管T4的栅极端可接收第二差动输出信号Vdf2。

在本实施例中，晶体管T1的通道宽度与晶体管T3的通道宽度之间的第一比例(例如是1：10)可相等于晶体管T2的通道宽度与晶体管T4的通道宽度之间的第二比例。换言之，晶体管T3可以是复制晶体管T1而成，且晶体管T3用以操作性地启动，以提升差动放大器110对补偿电容C的充电电流。另外，晶体管T4可以是复制晶体管T2而成，且晶体管T4用以操作性地启动，以提升补偿电容C对差动放大器110的放电电流。

通过如此的设置，在辅助输出级116启动的期间中，一旦补偿电容C过充(例如使反馈电压Vfb大于参考电压Vref，则补偿电容C可迅速地通过晶体管T2与晶体管T4释放补偿电容C中的电荷。因此，补偿电容C在辅助输出级116启动的期间中的充放电速度比例相等于补偿电容C在辅助输出级116关闭的期间中的充放电速度比例，如此以避免驱动电路100的不稳定。

在本实施例中，启动模块118例如可包括多工器MUX1、MUX2。多工器MUX1的第一输入端用以接收电压VDD。多工器MUX1的第二输入端电性连接晶体管T1的栅极端，并用以接收第一差动输出信号Vdf1。多工器MUX1的控制端用以接收切换信号SW。多工器MUX1的输出端电性连接晶体管T3的栅极端。

另一方面，多工器MUX2的第一输入端用以接收电压VSS。多工器MUX2的第二输入端电性连接晶体管T2的栅极端，并用以接收第二差动输出信号Vdf2。多工器MUX2的控制端用以接收切换信号SW。多工器MUX2的输出端电性连接晶体管T4的栅极端。

在本实施例中，多工器MUX1用以根据切换信号SW多工处理第一差动输出信号Vdf1与电压VDD，以操作性地导通晶体管T1的栅极端与晶体管T3的栅极端，并操作性地提供第一差动输出信号Vdf1至晶体管T3的栅极端。相似地，多工器MUX2用以根据切换信号SW多工处理第二差动输出信号Vdf2与电压VSS，以操作性地导通晶体管T2的栅极端与晶体管T4的栅极端，并操作性地提供第二差动输出信号Vdf2至晶体管T4的栅极端。

在一实施例中，差动放大器110可还包括计数器119。计数器119用以计数启始期间，并用以在启始期间内提供切换信号SW。

图3为根据本发明一实施例的驱动电路100中的切换信号SW、补偿电压Vcmp、差动电流Icmp以及电压Vo所绘示的时序图。

在本实施例中，在期间T1(例如是启动期间)中，计数器119提供切换信号SW(例如是高电压电平)至多工器MUX1和多工器MUX2。多工器MUX1导通晶体管T1的栅极端与晶体管T3的栅极端，以令晶体管T1与晶体管T3可同时启动并各自根据第一差动输出信号Vdf1导通，以令补偿电容C同时被主要差动电流I1与辅助差动电流I2充电。此时，差动电流Icmp因包括主要差动电流I1与辅助差动电流I2，故具有相对高的电流。

另一方面，多工器MUX1导通晶体管T2的栅极端与晶体管T4的栅极端，以令晶体管T2与晶体管T4可同时启动并各自根据第二差动输出信号Vd2导通，以令补偿电容C在过充的期间中(例如是参考电压Vref大于反馈电压Vfb时)通过晶体管T2与晶体管T4放电。

通过如此的设置，补偿电压Vcmp及电压Vo可于期间T1中快速地被拉至预设操作电压，以令驱动电路100可在短时间中完成启动并开始操作。

在期间T2(例如是操作期间)中，计数器119不提供切换信号SW(例如提供低电压电平)至多工器MUX1和多工器MUX2。多工器MUX1传导电压VDD至晶体管T3，以令晶体管T3关闭。另一方面，多工器MUX2传导电压VSS至晶体管T4，以令晶体管T4关闭。此时，差动电流Icmp因仅包括主要差动电流I1，故具有相对高的电流。

通过如此的设置，可使补偿电容C具有低电容值(例如是33nC)，并可使驱动电路100在期间T2中不振荡地稳定操作。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种差动放大器，用以通过一差动电流充电一补偿电容，其中该差动放大器包括：

一输入级，用以接收一参考电压以及一反馈电压，并比较该参考电压以及该反馈电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号；

一主要输出级，用以接收该第一差动输出信号以及该第二差动输出信号，并用以充电该补偿电容；以及

一辅助输出级，用以接收该第一差动输出信号以及该第二差动输出信号，并用以操作性地启动以充电该补偿电容；

其中在一第一操作状态下，该主要输出级及该辅助输出级皆对该补偿电容进行充电；以及

在一第二操作状态下，该主要输出级对该补偿电容进行充电，该辅助输出级关闭，以不对该补偿电容进行充电，

其中该差动放大器还包括一启动模块，其中该启动模块用以接收该第一差动输出信号、该第二差动输出信号以及一切换信号，并用以根据该切换信号判断是否提供该第一差动输出信号以及该第二差动输出信号至该辅助输出级，以启动该辅助输出级，

其中该启动模块包括：

一第一多工器，用以根据该切换信号提供该第一差动输出信号至该辅助输出级；以及

一第二多工器，用以根据该切换信号提供该第二差动输出信号至该辅助输出级。

2.根据权利要求1所述的差动放大器，其中在该第一操作状态下，该辅助输出级启动以提升该差动电流。

3.根据权利要求1所述的差动放大器，其中在该第二操作状态下，该辅助输出级关闭以降低该差动电流。

4.根据权利要求1所述的差动放大器，其中该主要输出级包括：

一第一晶体管，用以相应于该第一差动输出信号导通；以及

一第二晶体管，用以相应于该第二差动输出信号导通；

且其中该辅助输出级包括：

一第三晶体管，用以相应于该第一差动输出信号导通；以及

一第四晶体管，用以相应于该第二差动输出信号导通。

5.根据权利要求4所述的差动放大器，其中该第一晶体管的通道宽度与该第三晶体管的通道宽度之间的一第一比例相等于该第二晶体管的通道宽度与该第四晶体管的通道宽度之间的一第二比例。

6.根据权利要求1所述的差动放大器，还包括一计数器，用以计数一启始期间，并用以在该启始期间内提供该切换信号。

7.根据权利要求1所述的差动放大器，其中该主要输出级用以通过一主要差动电流充电该补偿电容，该辅助输出级用以通过一辅助差动电流充电该补偿电容，且该差动电流等于该主要差动电流与该辅助差动电流的总和。

8.一种驱动电路，包括：

一电感，电性连接于一供应电源以及一操作节点之间；

一驱动晶体管，电性连接该操作节点；

一差动放大器，电性连接一补偿电容，该差动放大器包括：

一输入级，用以比较一固定电压以及一变动电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号；

一主要输出级，用以充电该补偿电容；以及

一辅助输出级，用以充电该补偿电容，其中在一第一操作状态下，该主要输出级及该辅助输出级皆对该补偿电容进行充电，在一第二操作状态下，该主要输出级对该补偿电容进行充电，该辅助输出级关闭，以不对该补偿电容进行充电；以及

一比较器，电性连接该补偿电容，其中该比较器用以比较一斜波电压以及该补偿电容的一比较电压，以相应地提供一驱动电压以驱动该驱动晶体管。

9.根据权利要求8所述的驱动电路，其中在该第一操作状态下，该差动放大器通过一相对高电流充电该补偿电容，在该第二操作状态下，该差动放大器通过一相对低电流充电该补偿电容。

10.根据权利要求8所述的驱动电路，其中该主要输出级包括：

一第一晶体管，用以相应于该第一差动输出信号导通；以及

一第二晶体管，用以相应于该第二差动输出信号导通；

且其中该辅助输出级包括：

一第三晶体管，电性并联连接于该第一晶体管，用以相应于该第一差动输出信号导通；以及

一第四晶体管，电性并联连接于该第二晶体管，用以相应于该第二差动输出信号导通。

11.根据权利要求10所述的驱动电路，还包括：

一第一多工器，电性连接于该第一晶体管的栅极端与该第三晶体管的栅极端之间，用以根据一切换信号多工处理一第一电压与该第一差动输出信号，以操作性地导通该第一晶体管的栅极端与该第三晶体管的栅极端。

12.根据权利要求11所述的驱动电路，还包括：

一第二多工器，电性连接于该第二晶体管的栅极端与该第四晶体管的栅极端之间，用以根据该切换信号多工处理一第二电压与该第二差动输出信号，以操作性地导通该第二晶体管的栅极端与该第四晶体管的栅极端。

13.根据权利要求12所述的驱动电路，还包括：

一计数器，用以计数一启始期间，并用以在该启始期间内提供该切换信号。

14.根据权利要求10所述的驱动电路，其中该第一晶体管的通道宽度与该第三晶体管的通道宽度之间的一第一比例相等于该第二晶体管的通道宽度与该第四晶体管的通道宽度之间的一第二比例。

15.一种差动放大器，包括：

一输入级，用以接收一参考电压以及一反馈电压，并比较该参考电压以及该反馈电压，以相应地提供一第一差动输出信号以及一第二差动输出信号；

一第一晶体管，电性连接于一第一电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第一差动输出信号；

一第二晶体管，电性连接于一第二电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第二差动输出信号；

一第三晶体管，电性连接于一第一电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第一差动输出信号；以及

一第四晶体管，电性连接于一第二电压与一补偿电容之间，具有一栅极端，其中该栅极端用以接收该第二差动输出信号；

其中在一第一操作状态下，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管以及该第四晶体管皆启动，以令一相对高电流充电该补偿电容，以及

在一第二操作状态下，该第一晶体管以及该第二晶体管启动，且该第三晶体管以及该第四晶体管关闭，以令一相对低电流充电该补偿电容，其中该第一晶体管的通道宽度与该第三晶体管的通道宽度之间的一第一比例相等于该第二晶体管的通道宽度与该第四晶体管的通道宽度之间的一第二比例，

其中该差动放大器还包括：

一第一多工器，具有：

一第一输入端，电性连接该第一晶体管的栅极端；

一第二输入端，电性连接该第一电压；

一控制端，用以接收一切换信号；以及

一输出端，电性连接该第三晶体管的栅极端；以及

一第二多工器，具有：

一第一输入端，电性连接该第二晶体管的栅极端；

一第二输入端，电性连接该第二电压；

一控制端，用以接收该切换信号；以及

一输出端，电性连接该第四晶体管的栅极端。

16.根据权利要求15所述的差动放大器，还包括：

一计数器，用以计数一启始期间，并用以在该启始期间内提供该切换信号，

其中在该第一操作状态下，该第三晶体管与该第四晶体管根据该切换信号启动；

且其中在该第二操作状态下，该第三晶体管与该第四晶体管根据该切换信号关闭。