驱动电路系统以及提高运算放大器回转率的方法 【技术领域】
本发明涉及一种驱动电路系统以及提高回转率的方法，且特别涉及一种具有高回转率的运算放大器的驱动电路系统以及提高运算放大器回转率的方法。
背景技术
目前各种电子电路的应用中，经常能够见到运算放大器结构的出现。例如：用于进行信号处理的放大电路、用于驱动电容性负载的驱动电路以及用于进行数字与模拟信号转换的信号转换电路都可以见到运算放大器的实际应用。现今的液晶显示器因需要驱动大量的像素(pixel)电容以构成显示画面，经常使用运算放大器作为驱动电路的元件。
随着液晶显示器的不断发展，液晶显示器的需求走向更高分辨率、更大尺寸且更迅速的反应时间，在驱动电路的设计上面临更严格的考验。液晶显示器的源极驱动电路(source driver circuit)中具有输出缓冲器(output buffer)，输出缓冲器用于根据控制信号(通常为锁存信号STB)用于控制图像信息的传递。
请参照图1，图1示出了现有技术中驱动电路系统1的示意图。驱动电路系统1可作为源极驱动电路的输出缓冲器使用，如图1所示，驱动电路系统1包含运算放大器10、搭配运算放大器10的回授电路以及输出开关12，使运算放大器10作为输出缓冲器使用。运算放大器10被偏压电流Ibias偏压。运算放大器10的输出端与输出开关12耦接，输出开关12受控制信号C(通常可为STB信号)的控制，以配合运算放大器10切换读取并暂存输入信号Sin或产生输出信号Sout等动作。
在实际应用中，为了提高图像的灰阶效果，我们希望输出缓冲器可以具有全范围的输入摆幅，也即轨对轨(rail-to-rail)的输入范围，因而通常采用具有轨对轨输入级的运算放大器。请参照图2，图2示出了现有技术中运算放大器10的详细电路图。如图2所示，实际应用中运算放大器10可具有并联式的轨对轨输入级100以及AB类的输出级。
一般来说，当输出缓冲器的电压输出信号切换时，电压输出信号的变化并非理想的阶梯型而是具有一定的延迟，需要一定的设定时间(settling time)才能完成。
请参照图3，图3示出了图2中现有技术的驱动电路系统1的输出电压对时间的时序图。如图3所示，开始输出电压根据上一阶段的显示状态，可能位于高准位或低准位。以下以输出电压根据显示需求，需由低准位变化至高准位为例。当运算放大器接收到控制信号C驱动的时间点T1时，输出电压由低准位开始改变至高准位。直到输出电压超过高准位门槛电压Vh时，为输出电压完成切换，此时为时间点T2。最终输出电压将趋向并稳定于高准位。
由时间点T1到时间点T2之间所需的时间即为所述的设定时间Ts，也就是输出电压受控制信号C的负缘触发开始变化，直到超过高准位门槛电压Vh完成切换所经过的时间。
另一方面，当输出电压根据显示需求，需由高准位变化至低准位，自开始变化，至输出电压低于低准位门槛电压VL为止，也需经过设定时间Ts，其机制与上述相似。
也就是说，源极驱动电路在产生电压输出信号时，需经过一段设定时间Ts后才能完成液晶显示器所需的功能，因而限制了液晶显示器的反应速度。
若输出缓冲器内部的运算放大器的回转率(slew rate)越高，则所需的设定时间就越短，可使源极驱动电路的驱动反应速度越快，进而使液晶显示器具有更佳的反应时间。目前熟知的技术中，可通过下列方法提高运算放大器的回转率：
a)减少补偿电容(compensation capacitor)的容值：
减少补偿电容的电容值，可使充电的时间减短，加快运算放大器的反应时间并提升回转率，但也降低了运算放大器的稳定性。
b)采用推挽式(push-pull)输出级：
利用误差放大器推动输出级，形成推挽式输出级，也可提高运算放大器地回转率，但额外的误差放大器电路使驱动电路更复杂，使整个驱动电路的芯片面积加大也增加了静态电流消耗。
另一方面，在目前应用的技术中源极驱动电路为了推动大量像素负载，需具有相等数量的驱动电路(如同先前所述的驱动电路系统1)用于分别推动像素负载，而造成大量耗电。于是，实际应用中的源极驱动电路同时常进一步包含电荷分享(charge sharing)的电路结构。请同时参照图4与图5。请参照图4，图4示出了现有技术中区动电路系统2a与区动电路系统2b的示意图。图5示出了图4中运算放大器20的输出电压以及控制信号C在具电荷分享状态下对时间的时序图。如图4所示，每一驱动电路系统包含运算放大器20、搭配运算放大器20的回授电路、输出开关22以及输出开关24。图4中以两组驱动电路系统2a、2b为例，但在实际应用中，驱动电路系统的总数对应所要推动的像素电容负载的数量。
与前述的驱动电路系统相比，图4中的驱动电路系统的最大的不同之处在于进一步包含由电荷分享信号CS控制的输出开关24，以形成所谓的电荷分享电路结构。
如图5所示，以电荷分享信号CS可控制输出开关24，用于连接高低不同准位的输出电压。例如驱动电路系统2a的输出电压原先位于高准位，而驱动电路系统2b的输出电压原先位于低准位。当电荷分享信号CS开启输出开关24时，即将输出电压事先调整至中间准位，此处为将两个输出电压短路形成平均的效果，不需要额外耗电，因而有助于节省电力消耗。
然而，具有电荷分享的驱动电路系统，在实际控制信号C(通常为STB信号)的负缘触发开始切换时，将产生输出电压噪声(如图5所示的噪声N)，使驱动电路稳定性下降。
本发明提出一种驱动电路系统以及运算放大器回转率提高方法，以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的一个方面在于提供一种驱动电路系统，其包含运算放大器、判断模块以及偏压增强模块。运算放大器具有以偏压电流驱动的输入级。偏压增强模块分别与判断模块以及运算放大器的输入级电性连接。
根据一个具体实施例，判断模块用来根据控制信号的边缘触发产生偏压增强信号，此时偏压增强模块接收到偏压增强信号，偏压增强模块提供附加电流以配合偏压电流驱动运算放大器的输入级，致使运算放大器的回转率被提高。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该驱动电路系统包含：运算放大器，具有以偏压电流驱动的输入级；判断模块，用于根据控制信号的边缘触发产生偏压增强信号；以及偏压增强模块，与判断模块以及运算放大器的输入级电性连接，当偏压增强模块接收到偏压增强信号时，偏压增强模块提供附加电流以配合偏压电流驱动运算放大器的输入级，致使运算放大器的回转率被提高。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，当附加电流配合偏压电流驱动输入级时，输入级产生增强的工作电流以提高回转率。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该控制信号为锁存信号，驱动电路系统用于作为源极驱动电路中的输出缓冲器。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该控制信号为脉冲信号。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该边缘触发为正缘触发。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该边缘触发为负缘触发。
本发明的另一个方面在于提供一种驱动电路系统，其包含运算放大器、判断模块以及偏压增强模块。运算放大器具有轨对轨输入级，轨对轨输入级包括以第一偏压电流驱动的第一差动输入对以及以第二偏压电流驱动的第二差动输入对。偏压增强模块分别与判断模块以及运算放大器的轨对轨输入级电性连接。
根据一个具体实施例，判断模块用来根据控制信号的边缘触发产生偏压增强信号，此时偏压增强模块接收到偏压增强信号，偏压增强模块分别提供第一附加电流与第二附加电流以分别配合第一偏压电流以及第二偏压电流以驱动轨对轨输入级的第一差动输入对以及第二差动输入对，致使运算放大器的回转率被提高。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，该驱动电路系统包含：运算放大器，具有轨对轨输入级，轨对轨输入级包含以第一偏压电流驱动的第一差动输入对以及以第二偏压电流驱动的第二差动输入对；判断模块，用于根据控制信号的边缘触发产生偏压增强信号；以及偏压增强模块，与判断模块以及运算放大器的轨对轨输入级电性连接，当偏压增强模块接收到偏压增强信号时，偏压增强模块分别提供第一附加电流与第二附加电流以配合第一偏压电流以及第二偏压电流驱动轨对轨输入级的第一差动输入对以及所述第二差动输入对，致使运算放大器的回转率被提高。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，当第一附加电流与第二附加电流分别配合第一偏压电流及第二偏压电流驱动轨对轨输入级时，轨对轨输入级产生增强的工作电流以提高回转率。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，控制信号为锁存信号，驱动电路系统用于作为源极驱动电路中的输出缓冲器。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，控制信号为脉冲信号。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，边缘触发为正缘触发。
根据本发明的驱动电路系统，在一种实施方式中，边缘触发为负缘触发。
本发明的另一个方面在于提供一种提高运算放大器的回转率的方法，其包括下列步骤：(a)根据控制信号的边缘触发，产生偏压增强信号；(b)接收偏压增强信号并产生附加电流；以及(c)使附加电流配合偏压电流以驱动运算放大器，致使运算放大器的回转率被提高。
此处的边缘触发可为正缘触发(positive edge trigger)和/或负缘触发(negative edge trigger)，在一个实施例中，本发明可分别感测控制信号发生变化的正缘(上升缘，rising edge)以及负缘(下降缘，falling edge)产生偏压增强信号，并分别产生附加电流配合偏压电流驱动运算放大器，使在这两个时间点(正缘与负缘)时的运算放大器的回转率被提高，分别有助于避免电荷分享带来的负面效应以及加快作为输出缓冲器时的反应时间。
根据本发明的提高运算放大器的回转率的方法，在一种实施方式中，步骤(c)使运算放大器产生增强的工作电流以提高回转率。
根据本发明的提高运算放大器的回转率的方法，在一种实施方式中，控制信号为锁存信号，驱动电路系统用于作为源极驱动电路中的输出缓冲器。
根据本发明的提高运算放大器的回转率的方法，在一种实施方式中，控制信号为脉冲信号。
根据本发明的提高运算放大器的回转率的方法，在一种实施方式中，边缘触发为正缘触发。
根据本发明的提高运算放大器的回转率的方法，在一种实施方式中，边缘触发为负缘触发。
本发明提出的驱动电路系统以及提高运算放大器回转率的方法，仅需要简单的电流开关电路，配合原有的控制信号，在特定的时间点提高运算放大器的回转率。相比于现有技术，本发明提出的驱动电路系统可以利用简单的电路与信号判断，在低静态电流消耗(steady current consumption)的情况下加快运算放大器的反应时间，并减低电荷分享带来的问题，适合搭配使用于大尺寸且快速反应的显示装置的源极驱动电路。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的具体实施方式及附图得到进一步的了解。
【附图说明】
图1示出了现有技术中驱动电路系统的示意图。
图2示出了现有技术中运算放大器的详细电路图。
图3示出了图2中现有技术的驱动电路系统的输出电压对时间的时序图。
图4示出了现有技术中两组驱动电路系统的示意图。
图5示出了图4中运算放大器的输出电压以及控制信号在具电荷分享状态下对时间的时序图。
图6示出了根据本发明的第一个具体实施例中驱动电路系统的示意图。
图7示出了图6中当控制信号负缘触发时的示意图。
图8示出了根据本发明的第二个具体实施例中驱动电路系统的示意图。
图9示出了图8中运算放大器以及对应的偏压增强模块的详细电路图。
图10示出了图9中运算放大器配合对应的偏压增强模块的输出电压以及控制信号对时间的时序图。
图11示出了图9中运算放大器配合对应的偏压增强模块的输出电压以及控制信号在具电荷分享状态下对时间的时序图。
图12示出了根据本发明的第三个具体实施例中提高运算放大器回转率的方法的方法流程图。
【具体实施方式】
一般来说，在系统信号处理中，通常有脉冲型的控制信号用来控制输出缓冲器的动作状态。在源极驱动电路的输出缓冲器应用中，此处使用的控制信号通常为称为STB信号的锁存信号。
当STB信号位于正缘时，即由低准位变化至高准位时，输出缓冲器读入图像信息并将其暂时保存于输出缓冲器内；当STB信号位于负缘时，即由高准位变化至低准位时，根据输出缓冲器内暂存的信号，产生电压输出信号进而驱动像素电容负载。也就是说，实际信号改变的时间即发生在STB信号的正缘或负缘。
上述STB信号的负缘触发时，输出缓冲器产生电压输出信号进而推动对应的像素电容负载，电压输出信号的提升并非理想的阶梯型而具有一定的延迟，需要一定的设定时间(settling time)才能完成。
请参照图6，图6示出了根据本发明的第一个具体实施例中驱动电路系统3的示意图。如图6所示，驱动电路系统3包含运算放大器30、输出开关31、判断模块32以及偏压增强模块34。
在该实施例中，运算放大器30具有一个连接于运算放大器30的输出端点与其中一个输入端点之间的电子回路，以将运算放大器30依锁存器原理作为输出缓冲器使用。运算放大器30的输出端点进一步与输出开关31耦接，输出开关31受控制信号C控制，以配合运算放大器30，切换作为输出缓冲器的暂存输入信号Sin与产生输出信号Sout等动作。此处的控制信号C可为锁存信号(STB signal)或其他的脉冲信号(pulse signal)。
运算放大器30具有输入级300以及输出级302。输入级300受偏压电流Ibias驱动，输入级300可接收输入信号Sin，并产生工作电流Isat传送至输出级302。输出级302可送出输出信号Sout，输出级302具有补偿电容，输出信号Sout改变的率受运算放大器300的回转率限制，其公式如下：
此处的Cc为补偿电容的电容值。判断模块32接收控制信号C，并与偏压增强模块34电性连接。偏压增强模块34进一步与运算放大器30的输入级电性连接，偏压增强模块34本身可为电流开关电路或等效性的电路形成，例如以电流源加上切换开关而形成，或是以电压源配合晶体管开关组成的等效电路。
请同时参照图7，图7示出了图6中当控制信号C负缘触发时的示意图。判断模块32侦测控制信号C，并感测控制信号C的负缘触发。在实际应用中，此时输出缓冲器将产生电压输出信号进而推动对应的像素电容负载。同时，判断模块32根据控制信号C的负缘触发产生偏压增强信号Samp。
偏压增强模块34接收到偏压增强信号Samp，提供附加电流Iadd至运算放大器30的输入级300，附加电流Iadd配合偏压电流Ibias驱动运算放大器30的输入级300，输入级300产生增强的工作电流IL以提高该回转率，此处增强的工作电流IL大于原先的工作电流Isat，使运算放大器30的回转率提高。
在另一个实施例中，图6中的判断模块32也可用于侦测控制信号C的正缘，感测到控制信号C的正缘触发时判断模块32产生偏压增强信号Samp，致使偏压增强模块34提供附加电流Iadd至运算放大器30的输入级300，使运算放大器30的回转率提高，其作用的机制与本发明前述部份相似，在此不另赘述。
请参照图8，图8示出了根据本发明的第二个具体实施例中驱动电路系统5的示意图。与第一个具体实施例的不同之处在于，如图8所示，驱动电路系统5中运算放大器50具有轨对轨输入级500，轨对轨输入级500包含以第一偏压电流Ibias1驱动的第一差动输入对5001以及第二偏压电流Ibias2驱动的第二差动输入对5002。
当判断模块52感测到控制信号C的边缘触发(正缘或负缘)时，判断模块52产生偏压增强信号Samp，致使偏压增强模块54提供第一附加电流Iadd1至轨对轨输入级500的第一差动输入对5001，以及提供第二附加电流Iadd2至轨对轨输入级500的第二差动输入对5002，分别配合第一偏压电流Ibias1以及第二偏压电流Ibias2驱动轨对轨输入级500。使轨对轨输入级500产生增强的工作电流IL，进而使运算放大器50的回转率提高。
在该实施例中，轨对轨输入级500可为并联式轨对轨输入级或互换式轨对轨输入级。以并联式轨对轨输入级为例，轨对轨输入级500中的第一差动输入对5001与第二差动输入对5002可分别由P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)差动输入对以及N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)差动输入对组成。以PMOS差动输入对与NMOS差动输入对并联组成的轨对轨输入级500可互相补偿输入共模范围(Input Common Mode Range，ICMR)不足之处。
在该实施例中，偏压增强模块54本身可以是由两组电流开关电路或等效性的电路形成，例如分别以两个电流源加上切换开关而形成，或是以电压源配合两组晶体管开关组成的等效电路。
请同时参照图9，图9示出了图8中运算放大器50以及对应的偏压增强模块54的详细电路图。如图9所示，偏压增强模块54包括第一偏压增强单元54a以及第二偏压增强单元54b，分别对应第一差动输入对5001与第二差动输入对5002。
如图9所示，在该实施例中，第一偏压增强单元54a可由两组串联的P型金属氧化物半导体晶体管配合电压源组成，由P型金属氧化物半导体晶体管M04x与电压源等效形成电流源，加上另一个P型金属氧化物半导体晶体管M03x作为切换开关。以偏压增强信号Samp控制P型金属氧化物半导体晶体管M03x的闸极，也就是输入端点BSN处，控制P型金属氧化物半导体晶体管M03x的闸极可等效作为控制第一偏压增强单元54a的切换开关。通过这样的电路结构，第一偏压增强单元54a可响应偏压增强信号Samp的控制，提供第一附加电流Iadd1至第一差动输入对5001。
另一方面，第一偏压增强单元54b也可响应偏压增强信号Samp的控制，相对应的提供第二附加电流Iadd2至第二差动输入对5002。
请同时参照图10。图10示出了图9中运算放大器50配合对应的偏压增强模块54的输出电压以及控制信号C对时间的时序图。
由图10可知，驱动电路系统5中，配合对应的偏压增强模块54的运算放大器50回转率较高，当控制信号C(STB信号)位于负缘触发时，输出电压开始改变，因回转率较高，使改变所需的设定时间Ts′较短，因而反应时间较快。
另一方面，在另一个实施例中，多个驱动电路系统5也可搭配电荷分享的电路结构。此时每一个驱动电路系统5进一步包含由电荷分享信号CS控制的另一个切换开关，这些切换开关可通过全域线(global line)将每一个驱动电路系统5的输出端连接起来，这种电荷分享结构，为普通技术人员所熟知，在此不另赘述。请参照图11，图11示出了图9中运算放大器50配合对应的偏压增强模块54的输出电压以及控制信号C在具电荷分享状态下对时间的时序图。
由图11可知，进一步加入电荷分享电路结构之后，本发明中配合对应的偏压增强模块54的运算放大器50，其不仅使信号改变所需的设定时间Ts′较短，加快反应时间，也可避免电荷分享所带来的噪声。
由此可知，通过图9中电路结构以及配合图8中侦测控制信号C的边缘触发的判断模块52，可实现轨对轨输入、低电力消耗、高回转率且避免电荷分享的负面效应的驱动电路系统5。
请参照图12，图12示出了根据本发明的第三个具体实施例中提高运算放大器回转率的方法的方法流程图。该方法包含下列步骤。首先执行步骤M01，根据控制信号的边缘触发，产生偏压增强信号。此处的控制信号可为锁存信号(STB signal)或其他的脉冲信号(pulse signal)，在实际应用中控制信号可用来切换锁存器的读入或输出模式。此处所述的边缘触发可为正缘触发和/或负缘触发，在实际应用中，其分别可加速电压输出的反应时间以及减低电荷分享的负面效应。
接着执行步骤M02，接收偏压增强信号并产生附加电流。在一个实施例中，偏压增强信号可传送至偏压增强模块。偏压增强模块可包括电流源与切换开关，以形成电流开关电路。当偏压增强模块中的切换开关接收到偏压增强信号并被开启后，偏压增强模块中的电流源即送出附加电流。
最后执行步骤M03，使附加电流配合偏压电流以驱动运算放大器，致使运算放大器的该回转率被提高。需说明的是，步骤M03中利用附加电流配合偏压电流，使运算放大器产生增强的工作电流，当工作电流被增强后，运算放大器中的等效补偿电容的充电时间即缩短，使输出信号的改变加快，而达到提高该回转率的目的。
相比于现有技术，本发明提出的驱动电路系统以及提高运算放大器回转率的方法，可分别感测控制信号发生变化的正缘以及负缘产生偏压增强信号，并分别产生附加电流配合偏压电流驱动运算放大器，使在这两个时间点时运算放大器的回转率被提高，分别有助于避免电荷分享带来的负面效应以及加快作为输出缓冲器时的反应时间。本发明可通过简单的电流开关电路配合原有的控制信号，在特定的时间点提高运算放大器的回转率，在低电力消耗的情况下加快运算放大器的反应时间，并减低电荷分享带来的问题。
通过以上具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能将各种改变及等同安排涵盖于本发明权利要求的范围内。
主要组件符号说明
1、2a、2b、3、5：驱动电路系统
10、20、30、50：运算放大器
32、52：判断模块 34、54：偏压增强模块
100、300、500：输入级 302、502：输出级
5001：第一差动输入对 5002：第二差动输入对
54a：第一偏压增强单元 54b：第二偏压增强单元
12、22、24、31、51：切换开关
C：控制信号 Ibias：偏压电流
CS：电荷分享信号 N：噪声
Sin：输入信号 Sout：输出信号
T1、T2：时间点 Ts、Ts′：设定时间
Vh：高准位门槛电压 VL：低准位门槛电压
Isat：工作电流 IL：增强的工作电流
Iadd：附加电流 Samp：偏压增强信号
Ibias1：第一偏压电流 Ibias2：第二偏压电流
Iadd1：第一附加电流 Iadd2：第二附加电流
M01-M03：步骤
M03x、M04x：P型金属氧化物半导体晶体管
BSN：输入端点。