TWI274471B - Operational amplifier circuit having digitally controllable output stage - Google Patents

Description

1274471 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於運算放大器（operational amplifier，op amp) ’ 尤指一種具有可數位控制之輸出級的運算放大器電路。 【先前技術】 運算放大器是一種具有廣泛應用的電路基本構築區塊。電路設 計者常可使用運算放大器來實現許多種不同的運作功能。一般而 言，一運算放大器電路係用來依據一類比輸入訊號來驅動一負 載。而在採用數位式的輸入訊號時，則必須在運算放大器電路之 訊號輸入端的前方設置一數位至類比轉換器（digital-to-analog converter，DAC)，以將數位式的輸入訊號轉換成類比式的輸入訊 號，之後，運算放大器電路即可依據所接收到的類比輸入訊號來 驅動負載。 舉例來説’在一液晶顯示器驅動器（liquid crystal display source driver)中，即需設置一運算放大器電路（包含有一數位至類比轉 換器），以依據一數位輸入訊號來驅動一液晶顯示器。第丨圖所示 係為習知之液晶顯示器驅動器中所設置之一運算放大器電路的示 意圖。第1圖中所示的運算放大器電路100包含有一數位至類比 轉換器110、一類比控制級120、以及一輸出級（其包含有五個電 晶體T广T5)。至於受運算放大器電路卿所驅動的液晶顯示器在 1274471 第1圖中則以區塊「負載190」來表示。 、 數位至類比轉換$110係用來將該液晶顯示器驅動器的-數位 - 輸入吼唬SlN轉換成一類比輸入訊號Sk。接下來，類比控制級i2〇 係依據類比輸入訊號產生一控制訊號Vc。透過該輸出級中的 五個電晶體1>了5 ’依據控制訊號Ve的控制，電赫會被適當地 提供至負載190或被自負載190中所汲取出，如此一來，運算放 • 大器電路100即可依據數位輸入訊號Sin來正確地驅動負載刚。 一於習知的運算放大器電路100 t，帛2電晶體T2的閉極以及 第4電晶體Τ4的閘極係麵接於一固定的偏電壓ν麵，因此，可以 將這兩個電晶體當作是固定的電賴，峰汲糊定的偏電流。 在適田地叹置凡運异放大态電路1〇〇，並將供應電壓提供給運算放 大器電路100之後，第2電晶體丁2以及第4電晶體^即會持續消 耗系統的功率。然、而，實際上，即使已將供應電壓提供給運算放 大™電路100’運异放大為電路100也不一定會一直保持在運作的 狀恶’舉例來說’當沒有訊號被輸入至運算放大器電路100時， 運异放大器電路100即會不處於運作的狀態，而不需驅動負載 190。然而，即使在運算放大器電路1〇〇並未處於運作狀態時，第 2電晶體了2以及第4電晶體了4依舊會持續消耗系統的功率。換句 話說，在習知之運算放大器電路励的架構下，部分的功率將會 被無意義地消耗掉。 1274471 【發明内容】 本發明的目的之-，在於提供—種可赠低不必要之功率消耗 的運算放大器電路。 依據本發明之申請專抛JU，係減一種運算放大器電路，其 包含有一控制級以及一輪出、級。該控制、級包含有··一類比控制級， 用來依據一輸入訊號產生一第丨控制訊號；以及一數位控制級， Φ 用來依據該輸入訊號產生一第2控制訊號。該輸出級其包含有： 一電流源電路’搞接於該類比控制級以及一負載，用來依據該第1 控制訊號提供一第1電流至該負載；以及一電流槽電路，耦接於 該數位控制級以及該負載，用來依據該第2控制訊號自該負載汲 取一第2電流。 依據本發明之申請專利範圍，另揭露一種運算放大器電路，其 包含有一控制級以及一輸出級。該控制級包含有：一類比控制級， _ 用來依據一輸入訊號產生一第1控制訊號；以及一數位控制級， 用來依據該輸入訊號產生一第2控制訊號。該輸出級包含有：一 電流槽電路，耦接於該類比控制級以及一負载，用來依據該第1 控制訊號自該負載汲取一第1電流；以及一電流源電路，耦接於 該數位控制級以及該負載，用來依據該第2控制訊號提供一第2 電流至該負載。 1274471 【實施方式】 ， 請參閱第2圖，第2圖係為本發明第1實施例之運算放大器電 路200的示意圖。於本實施例中，運算放大器電路2〇〇係設置於 一液晶顯示器驅動器中，用來依據一數位輸入訊號SlN驅動一液晶 顯示器。在第2圖中，受驅動的液晶顯示器係由負載290此一區 塊所表示。而在其他的實施例中，本發明的運算放大器電路亦可 以設置於其他裝置之中，用來依據一數位或類比輸入訊號來驅動 _ 一負載。 本實施例的運算放大器電路200包含有一控制級210以及一輸 出級260。控制級210包含有一數位至類比轉換器220、一碼比較 器（code comparator) 230、以及一類比控制級240。數位至類比 轉換器220係用來將該液晶顯示器驅動器的數位輸入訊號轉換 成一類比輸入訊號SW。類比控制級240係依據接收自數位至類比 轉換器220的類比輸入訊號Sh來產生一第1控制訊號Vi。第1 控制訊號V!則係用來控制被提供至負載290的一第1電流&的大 J、。碼比較裔230係相當於控制級210中的一數位控制級，直係 比較輸入訊號Sin中所傳送的碼與一參考碼，以據以產生一第2控 制訊號V2。第2控制訊號％係用來控制被自負載290所及取出之 一第2電流込的大小。 輪出級260包含有三個電晶體T广T3。第1電晶體Τι係用以作 為輪出級260中的一電流源（current source)電路，其係依據第1 1274471 控制訊號％來將第1電流h提供至負載290。第2電晶體τ2與第 3 晶體丁3則用以作為輸出級260中的一電流槽（current sink) 電路，其係依據第2控制訊號V2來自負載290汲取第2電流12。 於本實施例中，該電流槽電路所汲取之第2電流l2包含有由第2 電晶體丁2所汲取的一偏電流l3以及由第3電晶體τ3所汲取的一可 調整電流Ι4。由於第2電晶體Τ2的閘極係耦接於一偏電壓VmAS， 故可將其視為用來自負載290汲取固定之偏電流ι3的一第丨電流 槽。由於第3電晶體A的閘極係耦接於碼比較器230以接收第2 控制訊號V2,故可將其視為用來自負載29〇汲取可調整電流^的 一第2電流槽。於本實施例中，第3電晶體A係為一 電晶 體，其具有耦接於碼比較器230用來接收第2控制訊號％的一控 制端（亦即閘極）、耦接於負載290用來自負載29〇汲取可調整電 机14的一第1端（亦即汲極）、以及耦接於一低偏電壓的一 第2端（亦即源極）。於其他的實施例中，第3電晶體&亦可以 疋PMOS電晶體或其他種類的電晶體。 藉由比較該參考碼以及輸入訊號Sin中所傳送的碼，碼比較哭 =〇可以判斷出何時該依據輸入峨SiN中所傳送的碼來降低輸出 電壓，υτ的電位。當判斷出需降低輸出電壓V0UT的電位時，碼 比車又為230會將第3電晶體T3 ^it(tum Gn)—段時間，以加快對 =輸出級260進行放電的速度；當判斷出需提升或保持輸出電壓 電位時’碼比較器23G則將第3電晶體L斷路㈣斗 糟由使用碼比較器23叫㈣由第3電晶體Τ3所構成的第2帝 1274471 流槽」此一概念，本實施例將可省下一條偏電流的路徑（例如可 省下第1圖所示由第4電晶體丁4所形成的偏電流路徑）。因此， 透過本實施例中數位控制的架構，第3電晶體&將不會持續處於 消耗功率的狀態。在判斷出需提升或保持輸出電壓ν〇υτ的電位 時，或是在運算放大器電路200並未處與運作狀態時（舉例來說， 當沒有訊號被輸入至碼比較器230時），第3電晶體Τ3將不會消 耗功率。明顯地，本實施例確實可以降低無謂的功率消耗。 於上述的實施例中，係使用一數位控制級來控制一運算放大器 電路中的一電流槽電路。於其他的實施例中，則可以使用一數位 控制級來控制一運算放大器電路中的一電流源電路。第3圖係為 本發明第2實施例之運算放大器電路300的示意圖。相似於第i 實施例之運算放大器電路200，於本實施例中，運算放大器電路 300亦可設置於一液晶顯示器驅動器中，用來依據一數位輸入訊號 Sin驅動一液晶顯示器。在第3圖中，受驅動的液晶顯示器係由負 載390此一區塊所表示。請注意，在其他的實施例中，本發明的 運异放大器電路亦可以設置於其他裝置之中，用來依據一數位或 類比輸入訊號來驅動一負載。 本實施例的運算放大器電路300包含有一控制級31〇以及一輸 出級360。控制級310包含有一數位至類比轉換器320、一碼比較 器330、以及一類比控制級340。數位至類比轉換器320係用來將 該液晶顯示器驅動器的數位輸入訊號Sw轉換成一類比輸入訊號 10 1274471 SW。類比控制級340係依據接收自數位至類比轉換器wo的類比 輸入訊號SW來產生一第1控制訊號％。第1控制訊號％則係用 來控制被自負載390所汲取出的一第1電流1](的大小。碼比較器 330係相當於控制級310中的一數位控制級，其係比較輸入訊號 Sin中所傳送的碼與一參考碼，以據以產生一第2控制訊號％。第 2控制訊號V2係用來控制被提供至負載39〇的一第2電流的大 輸出級360包含有三個電晶體Τι〜Τ3。第！電晶體Τι係用以作 為輸出級360中的一電流槽電路，其係依據第丨控制訊號％來自 負載390汲取第1電流L。第2電晶體A與第3電晶體&則用以 作為輸出級360中的一電流源電路，其係依據第2控制訊號％來 將第2電流I2提供至負載290。於本實施例中，該電流源電路所提 供之第2電流12包含有由第2電晶體Τ2所提供的一偏電流l3以及 由第3電晶體A所提供的一可調整電流u。由於第2電晶體乃 的閘極係耦接於一偏電壓VBIAS，故可將其視為用來將固定之偏電 流13提供至負載390的一第i電流源。由於第3 f晶體A的問極 係耦接於碼比較器330以接收第2控制訊號％，故可將其視為用 來將可調整電流I4提供至負載29G的一第2電流槽。於本實施例 中，第3電晶體Τ3係為-PM0S電晶體，其具有输於碼比較器 330用來接收第2控制訊號V2的-控制端（亦即閘極）、編妾於負 載390絲將可調整電流]；4提供至負載39〇的一第㈣（亦即没 極）、以及耦接於-高偏電壓VDDA的一第2端（亦即源極）。於 11 1274471' 其他的實施例中’第3電晶體丁3則亦可以是NMOS電晶體或其他 種類的電晶體。 - 藉由比較該參考碼以及輸入訊號Sw中所傳送的碼，碼比較器 330可以判斷出何時該依據輸入訊號Sin中所傳送的碼來提升輪出 電壓V〇UT的電位。當判斷出需提升輸出電壓V0UT的電位時，碼 比較器330會將第3電晶體τ3導通(tum 〇n)一段時間，以加快對 鲁於輸出級進行充電的速度；當判斷出需降低或保持輸出電壓 V〇UT的電位時，碼比較器330則將第3電晶體A斷路(tum 〇均。 藉由「使用碼比較器330來控制由第3電晶體&所構成的第2電 机源」此一概念，本實施例將可省下一條偏電流的路徑。因此， 透過本實關巾練㈣聽構，第3電晶體13料會持續處於 /肖耗功率的狀態。在判斷出需降低或保持輪出電壓ν〇υτ的電位 時’或是在運算放大器電路300並未處與運作狀態時（舉例來說， • 當沒^訊號被輸入至碼比較器330時），第3電晶體丁3將不會消 耗無意義的功率。明顯地，本實施例確實可以降低無謂的功率 消耗。 相較於習知技術中的運算放大器電路，本發明實施例中的運曾 放大器電路係具有魏位控制的輸出級，僅需使用較少路的偏; 流即可正常運作，因此該些實施例中的運算放大器電路確實可= 降低無謂的功率消耗。 12 1274471 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 圍所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】 第1圖係為習知之運算放大器電路的示意圖。 第2圖係為本發明第丨實施例之運算放大器電路的示意圖。 第3圖係為本發明第2實施例之運算放大器電路的示意圖。

I 【主要元件符號說明】 100、200、300 運算放大器電路 110、220、320 數位至類比轉換器 120、240、340 類比控制級 190、290、390 負載 210、310 控制級 230、330 碼比較器 > 260 > 360 輸出級 13

Claims (1)

1274471 十、申請專利範圍： L 一種運算放大器電路，其包含有： '^控制級’其包含有： 一 一類比控制級，用來依據一輸入訊號產生一第1控制訊 號；以及 一數位控制級，用來依據該輸入訊號產生一第2控制訊 號；以及 φ 一輸出級，其包含有： 一電流源電路’輕接於該類比控制級以及—負載，用來依 據該第1控制訊號提供一第1電流至該負載；以及 一電流槽電路，耦接於該數位控制級以及該負載，用來依 據該第2控制訊號自該負載汲取一第2電流。 2·如申請專利範圍第1項所述之運算放大器電路，其中該數位 隹 控制級包含有一碼比較器，用來比較一參考碼與該輸入訊號 中所傳送之碼，並據以產生該第2控制訊號。 3·如申請專利範圍第1項所述之運算放大器電路，其中該輸入 虎係為一數位輸入訊號，該控制級另包含有一數位至類比 轉換器’其|禺接於該類比控制級，用來將該數位輸入訊號轉 . 換為一類比輸入訊號，且該類比控制級係依據接收自該數位 至類比轉換器的該類比輸入訊號來產生該第 1控制訊號。 14 1274471 4·如申請專利範圍第1項所述之運算放大器電路，其中該電流 槽電路包含有： ‘ 一第1電流槽，耦接於該負載，用來自該負載汲取一偏電流； # 以及 一第2電流槽，耦接於該數位控制級以及該負載，用來依據該 第2控制訊號自該負載汲取一可調整電流； 其中該第2電流包含有該偏電流以及該可調整電流。 5·如申請專利範圍第4項所述之運算放大器電路，其中該第2 電流槽包含有一電晶體，其具有一控制端耦接於該數位控制 級，用來接收該第2控制訊號，一第1端耦接於該負載，用 來自該負載汲取該可調整電流，以及一第2端耦接於一低偏 電壓。 6· 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器電路，其中該運算 • 放大器電路係設置於一液晶顯示器驅動器中，用來依據該輸 入訊號驅動該負載’該負載係為一液晶顯示器單元。 7. —種運算放大器電路，其包含有： 一控制級，其包含有： 一類比控制級，用來依據一輸入訊號產生一第1控制訊 號；以及 一數位控制級，用來依據該輸入訊號產生一第2控制訊 15 1274471 號；以及 一輸出級，其包含有： 一電流槽電路，耦接於該類比控制級以及一負載，用來依 據該第1控制訊號自該負載汲取一第1電流；以及 一電流源電路，耦接於該數位控制級以及該負載，用來依 據該第2控制訊號提供一第2電流至該負載。 8·如申請專利範圍第7項所述之運算放大器電路，其中該數位 控制級包含有一碼比較器，用來比較一參考碼與該輸入訊號 中所傳送之碼，並據以產生該第2控制訊號。 9·如申請專利範圍第7項所述之運算放大器電路，其中該輸入 訊號係為一數位輸入訊號，該控制級另包含有一數位至類比 轉換器，其耦接於該類比控制級，用來將該數位輸入訊號轉 換為一類比輸入訊號，且該類比控制級係依據接收自該數位 至類比轉換器的該類比輸入訊號來產生該第1控制訊號。 10·如申請專利範圍第7項所述之運算放大器電路，其中該電流 源電路包含有： 一第1電流源，耦接於該負載，用來提供一偏電流至該負載； 以及 一第2電流槽，耦接於該數位控制級以及該負載，用來依據該 第2控制訊號提供一可調整電流至該負載； 16 1274471 其中該第2電流包含有該偏電流以及該可調整電流。 11.如申請專利範圍第10項所述之運算放大器電路，其中該第2 電流源包含有一電晶體，其具有一控制端耦接於該數位控制 級，用來接收該第2控制訊號，一第1端耦接於該負載，用 來提供該可調整電流至該負載，以及一第2端摩馬接於一高偏 電壓。 > 12.如申請專利範圍第7項所述之運算放大器電路，其中該運算 放大器電路係設置於一液晶顯示器驅動器中，用來依據該輸 入訊號驅動該負載，該負載係為一液晶顯示器單元。 十一、圖式： 17