專利名稱：可提高回轉率的運算放大器及其相關方法
技術領域：
本發明指一種可提高回轉率的運算放大器及其相關方法，尤指一種藉由 分配放大級電路的偏壓電流與輸出級電路的驅動電流，以提高放大級電路驅 動能力的運算放大器及其相關方法。
背景技術：
運算放大器是一種具有廣泛應用的電路基本構筑區塊。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。例如，在液晶顯示器的驅動 電路中，運算放大器可作為一輸出緩沖器，其依據前級數字至模擬轉換器所 輸出的模擬信號，對負載(即液晶)進行充放電，以驅動液晶顯示器上相對 應的像素單元。然而，隨著液晶顯示器尺寸及分辨率的提高，液晶顯示器驅 動電路每單位時間所輸出的數據量也越來越多，因此運算放大器的反應速度，
即回轉率(Slew Rate )也必須大幅地纟是高。
一般來說，在傳統驅動芯片中所運用的運算放大器通常為一兩級結構的 放大器，其包含有一第一級放大電路(放大級)以及一第二級輸出電路(輸 出級)。傳統運算放大器中的第一級放大電路為用來^l是高該運算放大器的增益 (Gain)，而第二級輸出電路則用來推動運算放大器所連接的電容性或是電阻 性負載。然而，傳統運算放大器具有回路穩定度(Loop Stability )不足的問 題，因此現有技術的運算放大器會藉由一米勒補償(Miller Compensation)電 容進行頻率補償，以達到穩定回路的效果。
請參考圖1，圖1為現有技術的運算放大器100的示意圖。為了簡潔， 在此以具最簡電路結構的N型輸入對運算放大器100來作說明。運算放大器 100主要包含有一放大級電路110、 一輸出級電路120、 一第一偏壓電流源ll5 以及一第二偏壓電流源125。放大級電路110為由晶體管MP1、 MP2、 MN1 及MN2組成，輸出級電路120為晶體管MPO形成的一共射極組態，而第一 偏壓電流源115及第二偏壓電流源125則分別用來提供放大級電路110及輸 出級電路120固定大小的靜態電流(或驅動電流)It,及It2。其中，輸出級電路120的輸出端Vout反饋耦接至放大級電路110的一輸入端AVN,以形成單 增益負反饋的輸出緩沖器。此外，運算放大器100另于放大級電路110的輸 出端(即晶體管MN2的漏極)與輸出級電路120的輸出端Vout之間耦接一 補償電容CM，其用來將放大級電路110及輸出級電路120的輸出信號作極點 分離(Pole-Splitting)，以達到穩定回路的效果。請注意，現有技術的運算放 大器100的詳細運作原理為業界所熟知，在此不贅述。
一般來說，運算放大器100的反應速度取決于運算放大器內部放大級電 路的偏壓電流與輸出級電路的驅動電流兩者的大小。然而，為了能推動外部 負載，輸出級電路的驅動電流一般會設計成大于放大級電路的驅動電流。在 此情形下，當現有技術的運算放大器在驅動大負載時，驅動能力往往會被放 大級電路的偏壓電流所影響的回轉率給限制住。
請參考圖2，圖2為現有技術的運算放大器100的輸入信號由低準位轉 換至高準位時內部電流路徑的示意圖。當運算放大器100的輸入信號由低準 位轉換至高準位時，由于此時輸入端AVP的電位瞬間提升，導致晶體管MN1、 MP1及MP2關閉，使得第一偏壓電流源115僅能透過晶體管MN2由補償電 容CM汲取偏壓電流lTp以拉升輸出端Vout的電位。上述的電流路徑在圖2 中為以PATHJ表示。另一方面，請參考圖3,圖3為現有技術的運算放大器 100的輸入信號由高準位轉換至低準位時內部電流路徑的示意圖。當輸入信 號由高準位轉換至低準位時，由于輸入端AVP的電位瞬間降低，導致晶體管 MN2關閉，使得放大級電路110的偏壓電流IT,將全部透過晶體管MN1汲取。 然而，由于晶體管MP1、 MP2所形成的主動負載具有一電流鏡架構，因此相 同大小的偏壓電流I.n將同時透過補償電容CM流至地端，以達到下拉輸出端 Vout電位的目的。上述的電流路徑在圖3中為以PATH—2表示。
由此可知，運算放大器100的反應速度將會由放大級電路的偏壓電流I丁, 對補償電容CM充放電的速度決定，其可藉由下列回轉率方程式表示
。也就是說，當放大級電路的偏壓電流越大時，補償電容充放電的
速度越快，而運算放大器100的反應速度也越快。
現有技術一般會藉由增加放大級電路的偏壓電流IT1來增加運算放大器 內部的回轉率，然而如此作法不但會增加電路面積(例如增加偏壓晶體管 的面積)，也將導致額外的功率消耗。因此，如何在不增加額外功率消耗的前提下加快運算放大器回轉率，將是電路設計者的一個重要課題。
發明內容
因此，本發明即在于提供一種可提高回轉率的運算放大器及其相關方法。 本發明為揭露一種可提高回轉率的運算放大器。該運算放大器包含有一
第一電流產生器，用來產生一第一偏壓電流； 一第二電流產生器，用來產生
一第二偏壓電流； 一放大級電路，耦接于該第一電流產生器，用來根據一輸
入信號，產生一放大信號； 一輸出級電^各，耦接于該第二電流產生器及該放 大級電路，用來根據該放大信號，產生一輸出信號；以及一偏壓電流分配單 元，耦接于該第一電流產生器、該第二電流產生器、該放大級電路及該輸出 級電路，用來根據一控制信號，分配該第一偏壓電流及該第二偏壓電流，以 提高該運算放大器的回轉率。
本發明另揭露一種用來提高一運算放大器回轉率的方法。該運算放大器 包含有 一放大級電路及一輸出級電路。該方法包含有產生 一第 一偏壓電流至 該放大級電路；產生一第二偏壓電流至該輸出級電路；以及根據一控制信號， 分配該第 一偏壓電流及該第二偏壓電流，以提高該運算放大器的回轉率。
圖1為一現有技術的運算放大器的示意圖。
圖2為現有技術的運算放大器的輸入信號由低準位轉換至高準位時內部 電流路徑的示意圖。
圖3為現有技術的運算放大器的輸入信號由高準位轉換至低準位時內部 電流路徑的示意圖。
圖4為本發明用來提高運算放大器回轉率的一流程的示意圖
圖5為本發明可提高回轉率的一運算放大器的示意圖。
圖6為本發明第一實施例運算放大器的示意圖。
圖7為本發明第二實施例運算放大器的示意圖。
圖8為本發明第三實施例運算放大器的示意圖。
主要組件符號說明
100、 500、 600、 700、 800 運算》文大器 110、 510、 610、 710、 810 方文大級電^各
7120、 520、 620、 720、 820 輸出級電路
115、 125 偏壓電流源
MP1、 MP2、 MN1、 MN2、 MPO晶體管
ITi、 It2 偏壓電流
AVP、 AVN 輸入端
Vout 輸出端
CM 補償電容
PATH一1、 PATH—2 電流路徑
40 流程
400、 410、 420、 430、 440 步驟
515、 525、 615、 625、 715、 725、 815、 825電流產生器
530、 630、 730、 830 偏壓電流分配單元
CTRL 控制信號
MS1、 MS2、 MS3 偏壓晶體管
VmAS 偏壓
Sl、 S1B、 S2、 S2B 開關
具體實施例方式
請參考圖4，圖4為本發明用來提高運算放大器回轉率(Slew Rate)的 一流程40的示意圖。運算放大器一般包含有一放大級電路及一輸出級電路。 放大級電路用來提高運算放大器的增益(Gain)，而輸出級電路則用來推動運 算放大器所連接的電容性或是電阻性負載。流程40包含有下列步驟
步驟400:開始。
步驟410:產生一-第 一偏壓電流至放大級電路。
步驟420:產生一-第二偏壓電流至輸出級電路。
步驟430:根據一-控制信號，重新分配該第 一偏壓電流及該第二偏壓電
流的大小，以提高運算放大器的回轉率。
步驟440:結束。
根據流程40，本發明分別產生一第一偏壓電流及一第二偏壓電流，以作 為放大級電路及輸出級電路的靜態電流(或驅動電流)。接著，本發明運算放 大器可根據一控制信號，分配該第一偏壓電流及該第二偏壓電流的大小，以提高運算放大器的回轉率。較佳地，該控制信號為于運算放大器加載輸入信
號之前產生，或者于運算放大器所接收的輸入信號發生轉態(Transition)之 前或于轉態過程中產生。
換言之，本發明可于運算放大器接收輸入信號之前或輸入信號發生轉態 之前，重新分配放大級電路的偏壓電流與輸出級電路的驅動電流，增加放大 級電路的偏壓電流大小，以提高運算放大器內部的驅動能力。如此一來，本 發明可在不額外消耗功率的前提下，加快運算放大器的回轉率。
請參考圖5,圖5為本發明可提高回轉率的一運算放大器500的示意圖。 運算放大器500為用來實現本發明流程40,其包含有一放大級電路510、 一 輸出級電路520、 一第一電流產生器515、 一第二電流產生器525及一偏壓電 流分配單元530。放大級電路510由晶體管MP1 、 MP2、 MN1及MN2組成， 用來透過一輸入端AVP接收一輸入信號，以產生一放大信號。輸出級電路520 為晶體管MPO形成的一共射極組態，用來根據該放大信號，透過一輸入端 Vout產生一輸出信號。第一電流產生器515及第二電流產生器525則分別用 來產生第 一偏壓電流IT1及第二偏壓電流IT2，以驅動放大級電路510及輸出 級電路520。其中，輸出級電路520的輸出端Vout反饋耦接至放大級電路510 的一輸入端AVN,以形成單增益負反饋的輸出緩沖器，而放大級電路510的 輸出端(即晶體管MN2的漏極)與輸出級電路520的輸出端Vout之間另耦 接一補償電容CM，其用來對放大級電路510及輸出級電路520的輸出信號進 行頻率補償，以達到穩定回路的效果。運算放大器500的詳細運作方式類似 圖1的運算放大器100,于此不再贅述。
偏壓電流分配單元530耦接于第一電流產生器515、第二電流產生器525、 放大級電路510及輸出級電路520之間，用來根據一控制信號CTRL，分配 第一偏壓電流lT,及第二偏壓電流Ln的大小，以提高該運算放大器的回轉率。 較佳地，控制信號CTRL為于運算放大器500接收輸入信號之前產生，或者 于輸入信號發生轉態之前產生。
因此，本發明運算放大器500可于接收輸入信號之前或輸入信號發生轉 態之前，藉由重新分配放大級電^各510的偏壓電流與輸出級電路520的驅動 電流，增加放大級電路510的偏壓電流大小，以加快對補償電容CM充放電的 速度，進而提高運算放大器的反應速度。如此一來，本發明可在不額外消耗 功率的前提下，加快運算放大器的回轉率。
9舉例來說，于接收輸入信號之前，本發明運算放大器可藉由將輸出級驅 動電流的部分比例切換至放大級電路、將放大級偏壓電流與輸出級驅動電流 交換或者將輸出級驅動電流的部分比例與放大級偏壓電流進行交換等方式， 增加放大級電路的偏壓電流大小，以提高運算放大器的回轉率。
請參考圖6，圖6為本發明第一實施例運算放大器600的示意圖。運算 放大器600為運算放大器500的一具體實施例，其包含有一放大級電路610、 一輸出級電路620、 一第一電流產生器615、 一第二電流產生器625及一偏壓 電流分配單元630。第一電流產生器615為由一偏壓晶體管MS1組成，其根 據一固定偏壓VwAs產生電流大小為I的電流，以形成第一偏壓電流Ln。第 二電流產生器由并聯的偏壓晶體管MS2及MS3組成，其分別根據固定偏壓 VB1AS產生電流大小為K*I及(N-Kf I的電流，以形成第二偏壓電流IT2 。其中， N代表第二偏壓電流IT2為第一偏壓電流IT1大小的N倍。偏壓電流分配單元 630包含有開關S1及S1B，其分別根據反相的控制信號CTRL短路，以將第 二偏壓電流IT2中的特定比例(即電流K")切換至放大級電路610，進而增 加》文大纟及電^各610的偏壓電流。
因此，本發明運算放大器600為于接收輸入信號之前或輸入信號發生轉 態之前，將輸出級驅動電流的部分比例切換至放大級電路，以增加放大級電 路的驅動能力。如此一來，當輸入信號變化時，放大級電路610的偏壓電流 IT1可迅速地對補償電容Qvi進行充放電，以提高運算放大器600的反應速度。
在此情形下，運算放大器600的回轉率可以下式表示 c" '。
很明顯地，隨著放大級電路的偏壓電流IT,的增加，運算放大器的回轉率也將 跟著增加。
此外，由于本發明為藉由引入輸出級電路的部分驅動電流來增加放大級 電路的偏壓電流，因此本發明可在不額外消耗功率的前提下，加快運算放大 器的回轉率。當然，在輸出端電位達到穩定之后，本發明運算放大器可將放 大級電路及輸出級電路的驅動電流恢復為原來的大小，以藉由較大的輸出級 驅動電流推動連接的外部負載。
值得注意的是，第 一電流產生器及第二電流產生器可藉由任何可產生固 定電流大小的電流產生單元實現，而不局限于上述晶體管的實施方式。
請繼續參考圖7，圖7為本發明第二實施例運算放大器700的示意圖。運算放大器700為運算放大器500的另一具體實施例，其包含有一放大級電 路710、 一輸出級電路720、 一第一電流產生器715、 一第二電流產生器725 及一偏壓電流分配單元730。第一電流產生器715及第二電流產生器725分 別用來產生第 一偏壓電流IT1及第二偏壓電流IT2,以驅動放大級電路710及 輸出級電路720。偏壓電流分配單元730包含有開關Sl、 SIB、 S2及S2B。 開關S1、 S2及開關S1B、 S2B分別根據反相的控制信號CTRL短路，以將第 一偏壓電流IT1與第二偏壓電流IT2交換輸出至輸出級電路720及放大級電路 710。
由于輸出級電路的驅動電流I T2 —般會大于放大級電路的偏壓電流I T1 ,
因此本發明運算放大器700為藉由將放大級偏壓電流IT1與輸出級驅動電流I
T2進行交換，以增加放大級電路710的驅動能力，進而提高對補償電容CM進
行充放電的速度。如此一來，本發明可在不額外消耗功率的前提下，加快運 算放大器的回轉率。
請注意，上述實施例僅用來作為本發明的舉例說明，而不為本發明的限 制。本領域具通常知識者當可視實際需求作適當的修改。舉例來說，請參考
圖8,圖8為本發明第三實施例運算放大器800的示意圖。運算放大器800 為本發明圖6實施例及圖7實施例的結合，其為藉由將輸出級驅動電流的部 分比例(即偏壓晶體管MS2所產生的電流K*I)與放大級偏壓電流進行交換， 以達到提高運算放大器回轉率的目的，如此相對應變化亦屬本發明的范疇。
此外，在本發明其它實施例中，運算放大器亦可藉由P型差動輸入對實 現，而偏壓電流分配單元則可藉由傳輸閘(Transmission Gate )實現等，而不 限于此。較佳地，本發明運算放大器可應用于一液晶顯示器的驅動電路中， 以提高驅動電路的反應速度，進而滿足大尺寸及高分辨率液晶顯示器的需求。
綜上所述，本發明為于運算放大器接收輸入信號之前、所接收的輸入信 號發生轉態之前或于轉態過程中，藉由重新分配放大級電路的偏壓電流與輸 出級電路的驅動電流，提高放大級電路的驅動能力，以加快運算放大器的反
應速度。如此一來，本發明可在不額外消耗功率的前提下，加快運算放大器 的回轉率。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均 等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種可提高回轉率的運算放大器，包含有一第一電流產生器，用來產生一第一偏壓電流；一第二電流產生器，用來產生一第二偏壓電流；一放大級電路，耦接于該第一電流產生器，用來根據一輸入信號，產生一放大信號；一輸出級電路，耦接于該第二電流產生器及該放大級電路，用來根據該放大信號，產生一輸出信號；以及一偏壓電流分配單元，耦接于該第一電流產生器、該第二電流產生器、該放大級電路及該輸出級電路，用來根據一控制信號，分配該第一偏壓電流及該第二偏壓電流，以提高該運算放大器的回轉率。
2. 如權利要求1所述的運算放大器，其另包含一補償電容，耦接于該放 大級電路的輸出端與該輸出級電路的輸出端之間，用來增加回路穩定度。
3. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該第二偏壓電流大于該第一偏 壓電流。
4. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該第二偏壓電流與該第一偏壓 電流之和為一定值。
5. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該控制信號于該運算放大器接 收該輸入信號之前產生。
6. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該控制信號于該輸入信號發生 轉態之前或于轉態過程中產生。
7. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該偏壓電流分配單元將該第二 偏壓電流的一特定比例切換至該第 一偏壓電流，以重新分配該第一偏壓電流 及該第二偏壓電流。
8. 如權利要求7所述的運算放大器，其中該第二電流產生器包含有多個 晶體管，以并聯方式耦接于該輸出級電路，用來產生該第二偏壓電流。
9. 如權利要求8所述的運算放大器，其中該偏壓電流分配單元根據該控 制信號，將該多個晶體管中的一特定數量晶體管切換耦接至該放大級電路。
10. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該偏壓電流分配單元將該第 一偏壓電流與該第二偏壓電流交換輸出至該輸出級電路及該放大級電路，以重新分配該第 一偏壓電流及該第二偏壓電流。
11. 如權利要求IO所述的運算放大器，其中該偏壓電流分配單元根據該 控制信號，將該第 一 電流產生器及該第二電流產生器交換耦接至該輸出級電 路及該放大級電路。
12. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該偏壓電流分配單元將該第 一偏壓電流與該第二偏壓電流的 一特定比例交換輸出至該輸出級電路及該放 大級電路，以重新分配該第 一偏壓電流及該第二偏壓電流。
13. 如權利要求1所述的運算放大器，其中該運算放大器為用于一液晶顯示器的驅動電路中的一輸出緩沖器。
14. 一種用來提高一運算放大器回轉率的方法，該運算放大器包含有一 放大級電路及一輸出級電路，該方法包含有產生一第 一偏壓電流至該放大級電路； 產生一第二偏壓電流至該輸出級電^S以及根據一控制信號，分配該第一偏壓電流及該第二偏壓電流，以提高該運 算放大器的回轉率。
15. 如權利要求14所述的方法，其中該第二偏壓電流大于該第一偏壓電、、六
16. 如權利要求14所述的方法，其中該第二偏壓電流與該第 一偏壓電流 之和為一定值。
17. 如權利要求14所述的方法，其另包含于該運算放大器接收一輸入信 號之前產生該控制信號。
18. 如權利要求14所述的方法，其另包含于該運算放大器所接收的輸入 信號發生轉態之前或于轉態過程中產生該控制信號。
19. 如權利要求14所述的方法，其中根據該控制信號，分配該第一偏壓 電流及該第二偏壓電流，為根據該控制信號，將該第二偏壓電流的一特定比 例切換至該第 一偏壓電流。
20. 如權利要求14所述的方法，其中根據該控制信號，分配該第一偏壓 電流及該第二偏壓電流，為根據該控制信號，將該第一偏壓電流及該第二偏 壓電流交換輸出至該輸出級電路及該放大級電路。
21. 如權利要求14所述的方法，其中根據該控制信號，分配該第一偏壓 電流及該第二偏壓電流，為根據該控制信號，將該第一偏壓電流與該第二偏壓電流的 一特定比例交換輸出至該輸出級電路及該放大級電路。
22.如權利要求14所述的方法，其中該運算放大器為用于一液晶顯示器的驅動電路中的 一輸出緩沖器。
全文摘要
可提高回轉率的運算放大器包含有一第一電流產生器，用來產生一第一偏壓電流；一第二電流產生器，用來產生一第二偏壓電流；一放大級電路耦接于該第一電流產生器，用來根據一輸入信號，產生一放大信號；一輸出級電路，耦接于該第二電流產生器及該放大級電路，用來根據該放大信號，產生一輸出信號；以及一偏壓電流分配單元，耦接于該第一電流產生器、該第二電流產生器、該放大級電路及該輸出級電路，用來根據一控制信號，分配該第一偏壓電流及該第二偏壓電流，以提高該運算放大器的回轉率。
文檔編號G09G3/36GK101588160SQ20081010050
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者陳季廷 申請人:聯詠科技股份有限公司