TW201126907A - Output buffer circuit and method for avoiding voltage overshoot - Google Patents

Description

201126907 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係指一種可抑制電壓過衝之輸出緩衝電路，尤指一種藉 由適時地關閉鉗位電路，來避免漏電流造成系統偏移電壓改變之輸 出緩衝電路。 【先前技術】 現有顯示器驅動器之輸出級採用運算放大器電路，以達成對負 載端快速充放電的目的，使得其驅動能力越來越強。然而，當運算 放大器内部電流回復能力不足時，對負載端快速充放電會產生電壓 過衝（overshoot)現象。一般而言，在運算放大器之輸出端和其輸 出級之輸入端之間加入一钳位電路（clamping circuit )可抑制電壓過 衝現象。然而，在運算放大器具有全擺幅（fllllswing)輸出的情況 下，鉗位電路可能會無法完全關閉，造成些許的漏電流產生(約仏 等級）。在低功率的應用下，此多餘的漏電流將會造成顯示器驅動器 整體偏移電愿（offsetvoltage)的改變。 ° 請參考第1圖，第1圖係習知一運算放大器10之示意圖。運算 放大器1〇為一二級放大器，其包含有一輸入級u、—輪出偏壓| 路12、一輸出級13及一鉗位電路14。輸入級11係一具軌對軌輸入 201126907 範圍之差動輸入級，其具有一正輸入端AVP及一負輸入端AVN。 輸入級11根據正輸入端AVP所接收之一輸入電壓，產生一電流訊 號IAB。輸出偏壓電路12耦接於輸入級u，用來根據電流訊號^^， 於節點AA及AB之間產生一動態偏壓VAB(即節點aa與節點AB 間之一電壓差）。輸出級13係由電晶體p9及N9組成之一 AB類輸 出級，其具有一輸入端AVF回授耦接至輸入級u之負輸入端ΑγΝ。 輸出級13根據動態偏壓AB提供一驅動電流至輸出端Αγρ，以產生 籲一輸出電壓。钳位電路14則由電晶體p〇s卜p〇S2、N〇SbN〇S2 組成’用來將運算放大器1〇之輸出電壓固定在一預設範圍内，以避 免發生ΐ壓過衝的現象。 當運算放大^ 1G對貞載進行充電時，例如接收高準位之輸入電 壓。，正輸入端AW之電壓上升，使得流經輸出偏壓電路η之電流 减ΙΑΒ變小’造成節點ΑΑ及節點沾之電壓下降。在此情形下， 輸出級丨3將會增加提供至輸出端避之驅動電流，來提高運算放 大器之輸出電壓，如第1圖中之實線部分所示。相反地，當運算放 大U對貞舰械姊例如概鮮狀輸 = 偏壓電路12之電流訊號ia=二 ^及㈣处之電壓上升。在此情形下，輸出級13將會 壓少^輸出端AVF之驅動電流，崎低運算放大 壓，如第1圖中之虛線部分所示。 電 在正常航下’細電壓之準位會使電晶體 POS2 或 n〇S2 之 201126907 過驅動電壓（overdrivevoltage)小於其臨界電壓，即（AVF_VBp〇s) <vthP 或（VBN0S_AVF) <vthn，而造成電晶體p〇s2 或n〇s2 關閉。因此’在正常情況下’鉗位電路M不會對運算放大器之充放 電產生任何作用。然、而，當輸出電壓之準位超出—預設範圍時，電 晶體POS2或NOS2之過驅動電壓會大於其臨界電壓，即 (AVF-VBPOS) >VthP或⑽刪避）>Vthn，喊成電晶體 POS2或N0S2導通。在此情形下’電流可以從輸出端Aw流入節 點AA或AB，幫助節點aa或AB之電壓回復正常準位，而降低電 壓過衝的程度。 然而，在運算放大器具有全擺幅輸出的情況下，電晶體p〇S2 或NOS2可i會無法元全關閉，而造成些許的漏電流產生。以放電 為例，運算放大器之輸出電壓可能會低至〇1伏特，此時電晶體 NOS1和N0S2將無法完全關閉，導致電晶體N〇si和腦2的路 徑上仍然、會有些許電流流過（由輸_腳流人節點則。在低功 率的應用下，運算放大||中每—路的電流越降越低，因此漏電流造 成電晶體P11和Nil電流值之改變量及過驅動電壓之變化量越趨明 顯，進而影響輸出級13的偏壓狀態及直流電流。當輸出級13的直 流電流改變時’輸出級13的轉導值及運算放大㈣增益大小亦會跟 著改變’而運算放大器的增益大小會直接影響到運算放大器的系統 偏移電壓（systematic offset voltage )。 簡言之，在低功率的應用下，運算放大器中每一路的電流越降 201126907 越低，在全擺幅輸出的情況下，鉗位電路無法完全關閉造成輪出偏 壓電路之電流值改變越趨明顯，導致整體運算放大器的増益值改 變’而影響運算放大器的系統偏移電壓。 【發明内容】 因此，本發明之主要目的在於提供一種可抑制電壓過衝之 緩衝電路及方法。 本發明揭露一種可抑制電壓過衝之輸出緩衝電路，其包含有一 輸、’及輸出偏壓電路、一輸出級、一甜位電路及一控制單元。 該輸入級包含有-正輸人端及—負輸人端，該正輸人端用來接收一 輸入電壓，該輸人級根據該輸人電壓，產生—電流訊號。該輸出偏 壓電路柄接於該輸人級，用來根據該電流訊號，產生—動態偏壓。 =出級触於該輸人級及該輸出偏壓電路，包含有—輸出端及至 乂輸出電晶體。該輸出端回授搞接於該負輸入端。該至少一輸出 曰體輕接於該輸出偏壓電路及該輸出端，絲根據該動態偏壓， 提供驅動電流至遠輸出端，以產生一輸出電壓。該甜位電路輕接 “亥輸入級、該輸^偏壓電路及該輸出端，絲於該輸出電壓之準 出—預設範圍時’從該輸出魏取f流，以對該電流訊號進行 使該動態偏壓回復-預設準位。該㈣單_接於該甜位電 ，用來於該輸出緩衝電路接收該輸人賴時，啟_她電路， w。亥輸出電壓之準位達到一穩態日夺，關閉該射位電路之運作。 201126907 本發明另揭露-種用於一輸出緩衝電路抑 該輸出緩衝電路包含有一輸入級、_ 過衝的方法。 級根據-輪人電壓，產生―電流電路。該輸入 該輸出_狀_輸出級，用來將 出電壓_在1設棚之内。該方法包含有下形驟 收5亥輸入電壓時，啟動該鉗位電路之 ; 連乍’開始輸出該輸出電壓； ^輸出電壓之準位達到—穩態時，_該鉗位電路之運作。 【實施方式】 凊參考第2圖，第2圖為本發明實施例可改善電壓過衝之一輸 出緩衝電路2〇之示意圖。輸出緩衝電路加包含有—輸人級21、一 輸出偏壓電路22、-輸出級23、—鉗位電路24及—控制單元^。 輸入級21係-具軌對軌輸人翻之差動輸人級，其具有—正輸入端 AVP及-負輸入端層。輸入級u根據正輸入端Ανρ所接收之一 輸入電壓’產生-電流訊號ΙΑΒ。輪出偏壓電路22健於輸入級 2卜用來根據電流訊號ΙΑΒ，於節點αα及ΑΒ之間產生一動態偏 壓VAB (即節點ΑΑ與節點ΑΒ間之一電壓差）。輸出級23係由電 晶體Ρ9及Ν9組成之一 ΑΒ赌出級，其具有一輸入端AW回授輕 接至輸入級21之負輸入端AVN。輸出級23根據動態偏壓ab提供 一驅動電流至輸出端AVF，以產生一輸出電壓。鉗位電路24則由 電晶體POS1、P〇S2、NOS卜NOS2組成，用來於輸出電壓之準位 201126907 超出-預設$iu時’從輸出端Aw脉電流，以對電流訊號IAB 進订補償’使動態偏壓回復—預設準位，而避免發生電壓過衝的現 象。控制單7L 25搞接於甜位電路24，用來於輸出緩衝電路2〇接收 輸入電壓時，控制鉗位電路24使其開始運作，並於輸出電壓之準位 達到-穩態時’ _鉗位電路24之運作。請注意，輸人級21、輸 出偏壓電路22、輸it{級23及錄電路24僅為本發狀-舉例說 月其可藉由任意形式之運算放大器電路實現，而不限於此。

在本㈣實關巾，電晶體POS1及POS2係P型金氧半_ 電晶體，用來將輸Λ賴之準位制在i設高電醉位之下；而 電晶體Ν·、腦2係N型金氧半導體電晶體，顧來將輸出電 壓之準位㈣在—預魏電壓準位之上。電晶體p㈣之閘極輕接 於一工作偏壓VBP0S ’而電晶體職2之閘極績於一工作偏壓 VBNOS。ji作偏壓vbpos、之準位係由控鮮元μ進行 切換。畜輸出緩衝電路2〇接收輸入電壓時，控制單元Μ會將工作 偏壓VBPOS、VBN0S切換至一正常偏壓準位，以使鉗位電路Μ 開始運作；而於輸出端聊之電壓準位達到穩態時，控制單元25 會駐作偏壓VBP〇S、VB職分胸触—電雜應賴伽A ==壓GNDA ’關_體議及蠢，使她電路Μ j考第3圖’第3圖為第2圖輸出緩衝電路2〇之訊號時序圖。 先’在資料載入時相，輸出緩衝電路20接收前級電路所輸出之一 201126907 類比電壓。此時，工作偏壓VBPOS、Y3N0S會分別切換至正常偏 壓準位，使鉗位電路24開始運作，來避免輸出端AVF之電壓準位 發生電壓過衝的現象。接著，當輸出端AVF之電壓準位達到穩態 時，控制單元25會將工作偏壓VBp〇s、VBN〇s分別切換至電源 供應電壓VDDA及地電壓GNDA，來強制關閉電晶體P〇S2及' 顧2，使電晶體P0S1、P〇S2、N〇s卜腦2的路徑上無任何電 流流過。如此-來，當輸出電壓達到穩態之後，本發明實施例可避 免钳位電路24之漏錢對輪岐之驗狀態和整體運算放大器之 增益造成影響。 ° 在本發明實施例中，控制單元25彳藉由下列兩種 電壓是否達到穩態，但不限於此。其中—種方式係於輸出緩^ 20接收輸人職-預設時間後，騎輸出電壓之準位已達. 而另-種方式係於輸出緩衝電路2()接 :’ =及正輸入端A—，判斷輪二= 舉例來說，請參考第4圖，第4圖為第1圖控制單 ^意及圖。爲求簡潔’第1圖之輸人級21、輸出偏壓電路^ 出、，及23及鉗位電路24係以一運算放大器μ

控制單元25包含有一觸發電路252及-計時器 4圖所7T 產生-觸發訊㈣。計時器⑽接於觸發電路攻 201126907 觸發訊號T1，計算-預設時間，以供控制單元25判斷輸出電壓之 準位疋否已達到穩態。如此一來，控制單元25可於預設時間之後， 將工作偏壓VBp〇s、仰腦分別切換至電源供應賴VDM及地 電壓GNDA，以關閉鉗位電路24之運作。 請參考第5圖，第5圖為第！圖控制單元25之另一實施例示意 圖。同樣地，第1圖之輸入級2卜輸出偏壓電路22、輸出級23及 鉗位電路24亦以一運算放大器51表示。如第5圖所示，控制單元 =包含有-電壓制電路256及一比較單元挪。電壓偵測電路祝 麵接於正輸人端AVP讀出端娜，时制正輸人端蕭及輸 =端雜之賴準位。比較單元258 _於電壓偵測電路256，用 =輸出端AVF及正輸人端Avp之準位差異小於—預設值時，判 =出電壓之準位已達到鶴。如此—來，控制單元25可在輸出電 達到㈣之後’將工倾壓VBP〇S、VBNQS _减至電源供 …電壓VDDA及地電^GNDA，以翻錄電路24之運作。…、 因此’透過上述實關，本發明可解決錄電路在料情況下 額職大器系統偏移電壓之問題，使得電路特 穩疋仁並不額夕卜增加運算放大器電流消耗與單位面積成本。 請^考第6圖，第6圖係本發明實施例之—電壓過衝 =。電壓過衝抑制流程⑹係上述輸她_ = 乍其包含有下列步驟： 插 11 201126907 步驟600 :開始。 步驟於接收輸入電壓時，開啟甜位電路24之運作。 步驟㈣：開始輸出輸出電壓。 步驟630 ’於輸出電壓之準位達到鷄時，關閉钳位電路24之 運作。 步驟640 :結束。 根據電墨過衝抑制流程6〇，輸出緩衝電路如於接收輸入電壓 寺控制鉗位電路24開始運作。接著，輸出緩衝電路開始輸出 輸出電壓直到輸出電壓之準位達到穩態時，關閉甜位電路Μ之運 作輸出緩衝電路之詳細運作方式已說明於上述實施例中，於此 再瞽诫。 綜上所述，本發明於輸出緩衝電路中加入钳位電路，並且透過 ^當的時脈控制’同時解決在低功率的應用下，其輸出級驅動能力 來越強所造成的電壓過衝現象和抑制其所改變的系統偏移電壓，❿ 但並不額外增加放大㈣流雜與_成本。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍 斤做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 12 201126907 • 第1圖係習知一運算放大器之示意圖。 第2圖為本發明實施例可改善電壓過衝之一輪出緩衝電路之示 意圖。 第3圖為第2圖輸出緩衝電路之訊號時序圖。 第4圖為第1圖控制單元之一實施例示意圖。 第5圖為第1圖控制單元之另一實施例示意圖。 第6圖係本發明實施例之一電壓過衝抑制流程之示意圖。 ^ 【主要元件符號說明】 10、41、51 運算放大器 11 ' 21 輸入級 12、22 輸出偏壓電路 13、23 輸出級 14、24 鉗位電路 • AVP、AVN 輸入端 AVF 輸出端 AA > AB 節點 IAB 電流訊號 N1 〜N3、P1 〜P3 、P9、N9、P1 卜 N1 卜 POS 卜 POS2、NOS 卜 NOS2 電晶體 VBPOS、VBNOS、VBN 卜 VBP 卜 VBP3、VBN3 偏壓 ' 20 輸出緩衝電路 13 201126907 25 控制單元 VDDA 電源供應電壓 GNDA 地電壓 252 觸發電路 254 計時器 T1 觸發訊號 256 電壓偵測電路 258 比較單元 60 電壓過衝抑制流程 600〜640 步驟 14

Claims (1)

1. 201126907 七、申請專利範圍： 種了抑制電壓過衝（Overshoot)之輸出緩衝電路，包含有： 輸入級，包含有一正輸入端及一負輸入端，該正輸入端用來 接收一輸入電壓，該輸入級根據該輸入電壓，產生一電流 訊號； 一輸出偏壓電路，耦接於該輸入級，用來根據該電流訊號，產 • 生一動態偏壓； 輸出級，耦接於該輸入級及該輸出偏壓電路，包含有： 一輸出端，回授耦接於該負輸入端；以及 至少一輸出電晶體，耦接於該輸出偏壓電路及該輸出端， 用來根據該動態偏壓，提供一驅動電流至該輸出端， 以產生一輸出電壓； 一鉗位電路，耦接於該輸入級、該輸出偏壓電路及該輸出端， φ 用來於該輸出電壓之準位超出一預設範圍時，從該輸出端 汲取電流，以對該電流訊號進行補償，使該動態偏壓回復 一預設準位；以及 一控制單元，耦接於該鉗位電路，用來於該輸出緩衝電路接收 該輸入電壓時，啟動該鉗位電路，並於該輸出電壓之準位 達到一穩態時，關閉該鉗位電路之運作。 .2·如請求項丨所述之輸出緩衝電路，其中該控制單元係於該輪出緩 衝電路接收該輸入電壓一預設時間後，判斷該輪出電壓之準位達 15 201126907 到該穩態。 3. 其中δ玄控制單元包含有： 電路接收該輸入電壓時，產生 如請求項2所述之輪出緩衝電路 一觸發電路，用來於該輪出緩衝 一觸發訊號；以及 一計時器’耦接於該觸發電路， 預設時間。 用來根據該觸發訊號，計算該 4. =柄m述之細緩衝魏，其巾該㈣單 衝電路接收該輸入電壓後， 位差異，判斷該輸出電壓之準位是否達到該穩態。&之皁 5. 如請求項4所述之輪出緩衝電路，其中該控制單元包 電壓偵測電路’輕接於該正輸入端及該 正輸入端及該輪出端之電壓準位；以及，偵測該 路，时於雜㈣及該正 則,差異小於一預設值時，判斷該輪出電麼之準 位達到該穩態。 印电歷之旱 如凊求項1所述之輪出緩衝電路，其中該鉗位電路包含 -第-金氧半導魏晶體，包含有—源極祕於彻^端，一 閘極耦接於一工作偏壓，以及一汲極；以及 一第二金氧料體電晶體，包含有-源_接於該第—金氧半 16 201126907 4 晶體之該秘’-閘極贿於該偏壓產生電路及該 至少一輸出電晶體，以及一沒極輕接於該閉極； 、中，該工作偏壓之準位係由該控制單元進行切換。 如請求項6所述之輸出緩衝電路 緩衝電路接收該輸入電壓時，將該工作偏=::τ

   之運作 H祕位電關始運作，祕崎_之賴準位達到該 献時，將該玉作偏壓切換至―第二準位，以關該鉗位電路 晶體 及2項7所述之輸出緩衝電路，其中該第一金氧半導體電 二金氧半導㈣晶體料ρ型金氧半導魏晶體，用來將 2電壓之準位箝制在—預設高電壓準位之下，而該第二準位 係一電源供應電壓。 9· 7所述之輸出緩衝電路，其中該第—金氧半導體電晶體 :第二金氧半導體電晶體皆為Ν型金氧半導體電晶體，用來 :。亥輪出電壓之準位卿在—預設低電鮮位之上，*該第 位係一地電壓。 1α==:_'，其中•級係-具軌對執 201126907 11.如請求項10所述之輪出緩衝電路，其中該輪入級包含有一 n 型金氧半導體（NMOS)差動輸入對及一 p型金氧半導體 (PMOS)差動輸入對。 I2·如請求項丨所述之輸出緩衝電路，其中該輸出偏壓電路包含有 一對以頭接尾（head tG taii)方式連接之互補式金氧半導體 體。 .如請求項i所述之輸出緩衝電路，其中該至少—輸出電晶體形成 一 AB類輸出級。 14. 一種用於一輸出緩衝電路抑制電壓過衝(Overshoot)的方法， =出緩衝電梅有m㈣-鉗位電路，該 輸入級根據一輸入電壓，產生 人 流訊號，產生，電壓產:二:==該電 :級，糊嶋峨隱 於接收該輸入電壓時，啟動該甜位電路之運作； 開始輸出該輸出電壓；以及 於雜出電壓之準位達到一穩態時，關閉該她電路之運作。 15. ^求項14所述之方法其中於該 時，關閉該钳位電路之步驟，包含有：電壓之準位達到該 201126907 c 於接收該輸入電壓一預設時間後， 該穩態。 _該輪出輕之準位達到 16. 之準位達到該穩態 之準

   17.如請求項16所述之方法， 該穩態之步驟，包含有： 其十判_輸4輕之準位是否達到 於該輸出及該輸入電壓之準位差異 該輸出電壓之準位達到該穩態。 七於一預設值時，判斷 八、囷式：

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