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TWI499203B - Operational Amplifier - Google Patents

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TWI499203B
TWI499203B TW100128086A TW100128086A TWI499203B TW I499203 B TWI499203 B TW I499203B TW 100128086 A TW100128086 A TW 100128086A TW 100128086 A TW100128086 A TW 100128086A TW I499203 B TWI499203 B TW I499203B
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Description

運算放大器
本發明係有關於一種運算放大器，其係尤指一種具有低功率消耗的運算放大器。
按，現今科技蓬勃發展，資訊商品種類推陳出新，滿足了眾多民眾不同的需求。早期顯示器多半為陰極射線管(Cathode Ray Tube，CRT)顯示器，由於其體積龐大與耗電量大，而且所產生的輻射線，對於長時間使用顯示器的使用者而言有危害身體的疑慮，因此，現今市面上的顯示器漸漸將由液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)取代舊有的CRT顯示器。液晶顯示器具有輕薄短小、低輻射與耗電量低等優點，也因此成為目前市場主流。
液晶顯示器為一種外型輕薄的平面顯示裝置(Flat Panel Display，FPD)，其具有低輻射、體積小及低耗能等優點，已逐漸取代傳統的陰極射線管顯示器(Cathode Ray Tube Display，CRT)，因而被廣泛地應用在筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)、平面電視或行動電話等資訊產品上。液晶顯示器包含一液晶顯示面板(Liquid Crystal Panel)、一時序控制器(Timing Controller，TCON)、一閘極驅動器(Gate Driver)及一源極驅動器(Source Driver)。時序控制器係用來產生影像資料訊號，及驅動液晶顯示面板所需之控制訊 號和時脈訊號。閘極驅動器係用來產生開啟或關閉畫素電路陣列的掃描訊號，而源極驅動器則依據影像資料訊號、控制訊號和時脈訊號來產生液晶顯示面板之驅動訊號。
現今液晶顯示面板驅動晶片朝向高解析度發展，而每一級源極皆經由運算放大器輸出並驅動負載。由於解析度越高所需要使用越多的運算放大器，如此便會有不小的運算放大器所產生之靜態電流。為了解決此問題，唯一的方法就是將運算放大器的靜態操作電流限制在很小的變化範圍內。然而，一般習知之運算放大器是利用浮動源極隨耦(Floating source follower)的方式控制輸出靜態電流，但此架構的運算放大器易受製程變動而造成輸出級靜態電流過大，而導致過大的靜態功率消耗。
因此，如何針對上述問題而提出一種新穎運算放大器，其可有效降低功率消耗，使可解決上述之問題。
本發明之目的之一，在於提供一種運算放大器，其藉由一浮動電流鏡電路於驅動高電壓模式或低電壓模式時，皆可達到低功率消耗的目的。
本發明之目的之一，在於提供一種運算放大器，其藉由一浮動電流鏡單元與一電流控制單元而於運算放大器於靜態操作時產生極小的靜態電流，而達到低功率消耗的目的。
本發明之運算放大器，其包含一輸入級電路、一浮動電流鏡電路、一輸出級電路。輸入級電路接收一輸入訊號，而產生一控制訊號；浮動電流鏡電路耦接輸入級電路，並依據控制訊號產生一鏡電流；輸出級電路耦接浮動電流鏡電路，並依據鏡電流產生 一驅動訊號；其中運算放大器於靜態操作時，輸出級電路更依據鏡電流產生一靜態電流。如此，本發明藉由一浮動電流鏡電路於驅動高電壓模式或低電壓模式時，皆可達到低功率消耗的目的。
本發明之另一實施態樣的運算放大器，其包含一輸入級電路、一浮動電流鏡電路、一電流控制單元與一輸出級電路。輸入級電路接收一輸入訊號，而產生一控制訊號；浮動電流鏡電路耦接輸入級電路，並依據控制訊號產生一鏡電流；電流控制單元耦接浮動電流鏡電路，並依據鏡電流產生一控制電流；輸出級電路耦接電流控制單元，並依據電流控制單元產生之控制電流產生一驅動訊號；其中運算放大器於靜態操作時，輸出級電路更依據控制電流產生一靜態電流。如此，本發明藉由一浮動電流鏡電路與一電流控制單元而於運算放大器於靜態操作時產生極小的靜態電流，而達到低功率消耗的目的。
本發明：
1‧‧‧運算放大器
10‧‧‧輸入級電路
100‧‧‧電晶體
102‧‧‧電晶體
104‧‧‧電晶體
106‧‧‧電晶體
2‧‧‧運算放大器
20‧‧‧浮動電流鏡電路
22‧‧‧電流源
24‧‧‧電流鏡單元
26‧‧‧控制元件
28‧‧‧電壓控制單元
3‧‧‧運算放大器
30‧‧‧輸出級電路
32‧‧‧第一電晶體
34‧‧‧第二電晶體
4‧‧‧運算放大器
40‧‧‧電流控制單元
42‧‧‧電流源
44‧‧‧第三電晶體
46‧‧‧第四電晶體
第一圖為本發明之運算放大器之一實施例的示意圖；第二圖為本發明之運算放大器之一實施例的電路圖；第三A圖為本發明之第一圖運算放大器之一實施例的運作示意圖；第三B圖為本發明之第一圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖；第三C圖為本發明之第一圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖；第四圖為本發明之運算放大器之另一實施例的示意圖；第五圖為本發明之運算放大器之另一實施例的電路圖； 第六圖係為本發明之運算放大器之另一實施例的電路圖；第七A圖為本發明之第六圖運算放大器之一實施例的運作示意圖；第七B圖為本發明之第六圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖；第七C圖為本發明之第六圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖；以及第八圖為本發明之第六圖運算放大器之另一實施例態樣的電路圖。
茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
請參閱第一圖與第二圖，係為本發明之運算放大器之一實施例的示意圖與電路圖。如圖所示，本實施例之運算放大器1包含一輸入級電路10、一浮動電流鏡電路20與一輸出級電路30。輸入級電路10接收輸入訊號而產生一控制訊號，浮動電流鏡電路20耦接輸入級電路10，並依據控制訊號產生一鏡電流，輸出級電路30耦接浮動電流鏡電路20，並依據鏡電流產生一驅動訊號，其中，運算放大器於靜態操作時，該輸出級電路更依據該鏡電流產生一靜態電流。如此，本實施例藉由浮動電流鏡電路20於運算放大器驅動高電壓模式(即將低電壓準位驅動至高電壓準位)或低電壓模式(即將高電壓準位驅動至低電壓準位)時，皆可達到低功率消耗的目的。
承上所述，浮動電流鏡電路20包含一電流源22、一電流鏡單元24、一控制元件26與一電壓控制單元28。電流源22用以產生一電流Ibias1，電流鏡單元24耦接電流源22，並依據電流源22所產生之電流Ibias1，而產生鏡電流Ibias2，控制元件26耦接輸入級電路10與電流鏡單元24，並依據控制訊號而控制電流鏡單元24產生鏡電流Ibias2，電壓控制單元28耦接控制元件26與電流鏡單元24，並依據控制訊號控制輸出級電路30產生驅動訊號或靜態電流。
另外，輸出級電路30包含一第一電晶體32與一第二電晶體34。第一電晶體32耦接輸入級電路10，並受控於控制訊號，第二電晶體34耦接第一電晶體32與浮動電流鏡20，並受控於浮動電流鏡電路20產生之鏡電流Ibias2。以下第三A圖至第三C圖係針對運算放大器分別運作驅動高電壓模式、驅動低電壓模式與靜態模式進行說明。
請參閱第三A圖，其為本發明之第一圖運算放大器之一實施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器1運作於驅動高電壓模式(即運算放大器1輸出高電壓的訊號)，控制元件26接收控制訊號而導通，使電流鏡單元24正常運作而鏡射電流源22之電流Ibias1，以產生鏡電流Ibias2，此時，因為電壓控制單元28導通，所以驅使電壓控制單元28運作於線性區域，讓電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的電壓為零，即電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的A端點電壓等於B端點電壓等於零，進而使流過輸出級電路30之第二電晶體34的電流Ibias3很小，甚至近似於零，並第一電晶體32產生很強的驅動訊號ID至輸出端，使運算放大器1運作於驅動高電壓模式。
請參閱第三B圖，其為本發明之第一圖運算放大器之另一實 施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器1運作於驅動低電壓模式(即運算放大器1輸出低電壓的訊號)，控制元件26依據控制訊號的電壓準位而截止，使電流鏡單元24停止運作而停止產生鏡電流Ibias2，於本實施例中，控制訊號為高電壓準位，控制元件26之閘極接收控制訊號而截止，此時，因為控制元件26截止，所以驅使電壓控制單元28截止，進而導通輸出級電路30之第二電晶體34，此時，因為控制訊號為高電壓準位，使輸出級電路30之第一電晶體32截止，讓輸出級電路30輸出低電壓而使運算放大器1運作於低電壓模式。
請參閱第三C圖，其為本發明之第一圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器1運作於靜態模式，控制元件26接收控制訊號而導通，使電流鏡單元24正常運作而鏡射電流源22之電流Ibias1，以產生鏡電流Ibias2，此時，因為電壓控制單元28導通，所以驅使電壓控制單元28運作於線性區域，讓電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的電壓為零，即電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的A端點電壓等於B端點電壓等於零，進而使流過輸出級電路30之第二電晶體34的電流Ibias3很小，甚至近似於零，即流過輸出級電路30之第一電晶體32與第二電晶體34的電流Ibias3很小，也就是靜態電流很小而達到低功率消耗的目的。如此，本發明藉由浮動電流鏡單元24與電流控制單元28而於運算放大器1於靜態操作時產生極小的靜態電流，而達到低功率消耗的目的。
請復參閱第二圖，本發明之輸入級電路10包含一差動單元12與一電流源14。差動單元12接收輸入訊號而產生控制訊號，電流源14耦接差動單元12。再者，輸入級電路10更包含一電晶體100 、一電晶體102、一電晶體104與一電晶體106。電晶體100耦接一電源VP0與電流源22，電晶體102串聯於電晶體100，並耦接電流22，電晶體104與電晶體106互相串聯，並串聯於電晶體102，以提供一偏壓至電流源22，另外，電流源22亦可耦接於輸入級電路10之差動單元12，而由差動單元12提供偏壓至電流源22。
請參閱第四圖與第五圖，其為本發明之運算放大器之另一實施例的示意圖與電路圖。如圖所示，本實施例之運算放大器2與第一圖之運算放大器1之不同之處，在於本實施例之運算放大器2中的電晶體之型態與第一圖實施例的運算放大器1之電晶體的型態完全相反，其動作原理與第二圖相同，該技術領域中具有通常知識者可依據第二圖之實施例的說明可以輕易得知本實施例的動作原理，所以，於此將不再多加以贅述。
請參閱第六圖，其為本發明之運算放大器之另一實施例的示意圖與電路圖。如圖所示，本實施例之運算放大器3與第二圖之實施例不同之處，在於本實施例之運算放大器3更包含一電流控制單元40。電流控制單元40耦接於浮動電流鏡電路20與輸出級電路30之間，並依據控制訊號而產生控制電流，使輸出級電路30依據控制訊號與控制電流產生一驅動訊號，並可依據控制電流產生極小的靜態電流Ibias3，以達到低功率消耗的目的。其中，電流控制單元40包含一電流源42、一第三電晶體44、一第四電晶體46。電流源42用以產生電流Ibias4，第三電晶體44耦接電流源42，並依據控制訊號而導通或截止，第四電晶體46耦接電流源42，並且並聯於第三電晶體44。另外，本實施例之輸入級電路10包含一差動單元12與一電流源14。差動單元12接收輸入訊號而產生控制訊號，電流源14耦接差動單元12。再者，第三電晶體44與第四電 晶體46用以控制輸出級電路30產生驅動訊號或靜態電流。以下第七A圖至第七C圖係針對本實施例之運算放大器3分別運作驅動高電壓模式、驅動低電壓模式與靜態模式進行說明。
請參閱第七A圖，其為本發明之第六圖運算放大器之一實施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器3運作於驅動高電壓模式(即運算放大器1輸出高電壓的訊號)，控制元件26接收控制訊號而導通，使電流鏡單元24正常運作而鏡射電流源22之電流Ibias1，以產生鏡電流Ibias2，此時，因為電壓控制單元28導通，所以驅使電壓控制單元28與電流控制單元40之第三電晶體44運作於線性區域，讓電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的電壓以及節點GN3的電壓為零，即電流鏡單元24與電壓控制單元28之間的A端點電壓等於B端點電壓等於節點GN3的電壓等於零，進而使流過輸出級電路30之第二電晶體34的電流Ibias3近似於零，並輸出級電路30之第一電晶體32產生很強的驅動訊號ID至輸出端OUT，使運算放大器1運作於驅動高電壓模式。
請參閱第七B圖，其為本發明之第四圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器3運作於驅動低電壓模式(即運算放大器3輸出低電壓的訊號)，控制元件26依據控制訊號的電壓準位而截止，使電流鏡單元24停止運作而停止產生鏡電流Ibias2，於本實施例中，控制訊號為高電壓準位，控制元件26之閘極接收控制訊號而截止，此時，因為控制元件26截止，所以驅使電壓控制單元28與電流控制單元40之第三電晶體44截止，由於第三電晶體44截止，使得電流控制單元40之電流源42所產生之電流Ibias4直接流過第四電晶體46，而使第二電晶體34產生N倍Ibias4的驅動訊號，讓輸出級電路30輸出低電壓而使 運算放大器1運作於低電壓模式。
請參閱第七C圖，其為本發明之第六圖運算放大器之另一實施例的運作示意圖。如圖所示，本實施例之運算放大器3運作於靜態模式，控制元件26接收控制訊號而導通，使電流鏡單元24正常運作而鏡射電流源22之電流Ibias1，以產生鏡電流Ibias2，此時，因為控制元件26導通，所以驅使電壓控制單元28以及第三電晶體44運作於飽和區域，如此，第三電晶體44會搶走大部分的電流Ibias4，即電流Ibias4包含一第一電流I1與一第二電流I2，並第一電流I1大於第二電流I2，且第一電流I1會流過第三電晶體44，而第二電流I2會流過第四電晶體46，此時，輸出級電路30的靜態電流Iq大小決定於第二電流I2的大小，如此，本發明可藉由控制第三電晶體44之面積與第四電晶體46之面積而決定第一電流I1與第二電流I2之間比例大小，於本實施例中，第四電晶體46、第三電晶體44與第二電晶體34的面積比例為1：M：N，本實施例可藉由第三電晶體44的面積大於第四電晶體46的面積，而將電流Ibias4大部分流向第三電晶體44，極小部分電流流向第四電晶體46，即可使運算放大器3於靜態操作時，控制靜態電流Ibias3在極小範圍內，而達到低功率的目的。
請參閱第八圖，其為第六圖實施例之運算放大器之另一實施例的電路圖。如圖所示，本實施例之運算放大器4與第六圖之運算放大器3之不同之處，在於本實施例之運算放大器4中的電晶體之型態與第六圖實施例的運算放大器3之電晶體的型態完全相反，其動作原理與第六圖相同，該技術領域中具有通常知識者可依據第六圖之實施例的說明可以輕易得知本實施例的動作原理，所以，於此將不再多加以贅述。
綜上所述，本發明之運算放大器係由一輸入級電路接收一輸入訊號，而產生一控制訊號；一浮動電流鏡電路耦接輸入級電路，並依據控制訊號產生一鏡電流；一輸出級電路耦接浮動電流鏡電路，並依據鏡電流產生一驅動訊號；其中運算放大器於靜態操作時，輸出級電路更依據鏡電流產生一靜態電流。如此，本發明藉由一浮動電流鏡電路於驅動高電壓模式或低電壓模式時，皆可達到低功率消耗的目的。
本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧運算放大器
10‧‧‧輸入級電路
20‧‧‧浮動電流鏡電路
22‧‧‧電流源
24‧‧‧電流鏡單元
26‧‧‧控制元件
28‧‧‧電壓控制單元
30‧‧‧輸出級電路

Claims (10)

  1. 一種運算放大器，其包含：一輸入級電路，接收一輸入訊號，而產生一控制訊號；一浮動電流鏡電路，耦接該輸入級電路，並依據該控制訊號產生一鏡電流；以及一輸出級電路，耦接該浮動電流鏡電路，並依據該控制訊號與該鏡電流產生一驅動訊號；其中，該運算放大器於靜態操作時，該輸出級電路更依據該鏡電流產生一靜態電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中浮動電流鏡電路包含：一電流源，用以產生一電流；一電流鏡單元，耦接該電流源，並依據該電流源所產生之該電流，而產生該鏡電流；一控制元件，耦接該輸入級電路與該電流鏡單元，並依據該控制訊號控制該電流鏡單元產生該鏡電流；以及一電壓控制單元，耦接該控制元件與該電流鏡單元，並依據該控制訊號控制輸出級電路產生該驅動訊號或該靜態電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該輸出級電路包含：一第一電晶體，耦接該輸入級電路，並受控於該控制訊號；以及一第二電晶體，耦接該第一電晶體與該浮動電流鏡電路，並受控 於該鏡電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之運算放大器，其中該輸入級電路包含：一差動單元，具有二輸入端，其一端耦接該運算放大器之一輸出端，另一端接收該輸入訊號，而產生該控制訊號；以及一電流源，耦接該差動單元。
  5. 一種運算放大器，其包含：一輸入級電路，接收一輸入訊號，而產生一控制訊號；一浮動電流鏡電路，耦接該輸入級電路，並依據該控制訊號產生一鏡電流；一電流控制單元，耦接該浮動電流鏡電路，並依據該鏡電流產生一控制電流；以及一輸出級電路，耦接該電流控制單元，並依據該控制訊號與該控制電流產生一驅動訊號；其中，該運算放大器於靜態操作時，該輸出級電路更依據該控制電流產生一靜態電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之運算放大器，其中浮動電流鏡電路包含：一電流源，用以產生一電流；一電流鏡單元，耦接該電流源，並依據該電流源所產生之該電流，而產生該鏡電流；一控制元件，耦接該輸入級電路與該電流鏡單元，並依據該控制訊號控制該電流鏡單元產生該鏡電流；以及一電壓控制單元，耦接該控制元件與該電流鏡單元，並依據該控制訊號控制輸出級電路產生該驅動訊號或該靜態電流。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之運算放大器，其中該電流控制單元包含：一電流源，用以產生一電流；一第一電晶體，耦接該電流源，並依據該鏡電流而導通或截止；以及一第二電晶體，耦接該電流源，並並聯於該第一電晶體；其中，該第一電晶體與該第二電晶體控制該輸出級電路產生該驅動訊號或該靜態電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之運算放大器，其中該第一電晶體的面積大於該第二電晶體的面積。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之運算放大器，其中該輸出級電路包含：一第一電晶體，耦接該輸入級電路，並受控於該控制訊號；以及一第二電晶體，耦接該第一電晶體與該浮動電流鏡電路，並受控於該鏡電流。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之運算放大器，其中該輸入級電路包含：一差動單元，接收該輸入訊號，而產生該控制訊號；以及一電流源，耦接該差動單元。
TW100128086A 2011-08-08 2011-08-08 Operational Amplifier TWI499203B (zh)

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