[发明专利]可提高回转率的运算放大器及其相关方法

说明书

技术领域

本发明指一种可提高回转率的运算放大器及其相关方法，尤指一种藉由 分配放大级电路的偏压电流与输出级电路的驱动电流，以提高放大级电路驱 动能力的运算放大器及其相关方法。

背景技术

运算放大器是一种具有广泛应用的电路基本构筑区块。电路设计者常可 使用运算放大器来实现许多种不同的运作功能。例如，在液晶显示器的驱动 电路中，运算放大器可作为一输出缓冲器，其依据前级数字至模拟转换器所 输出的模拟信号，对负载(即液晶)进行充放电，以驱动液晶显示器上相对 应的像素单元。然而，随着液晶显示器尺寸及分辨率的提高，液晶显示器驱 动电路每单位时间所输出的数据量也越来越多，因此运算放大器的反应速度， 即回转率(Slew Rate)也必须大幅地提高。

一般来说，在传统驱动芯片中所运用的运算放大器通常为一两级结构的 放大器，其包含有一第一级放大电路(放大级)以及一第二级输出电路(输 出级)。传统运算放大器中的第一级放大电路为用来提高该运算放大器的增益 (Gain)，而第二级输出电路则用来推动运算放大器所连接的电容性或是电阻 性负载。然而，传统运算放大器具有回路稳定度(Loop Stability)不足的问 题，因此现有技术的运算放大器会藉由一米勒补偿(Miller Compensation)电 容进行频率补偿，以达到稳定回路的效果。

请参考图1，图1为现有技术的运算放大器100的示意图。为了简洁， 在此以具最简电路结构的N型输入对运算放大器100来作说明。运算放大器 100主要包含有一放大级电路110、一输出级电路120、一第一偏压电流源115 以及一第二偏压电流源125。放大级电路110为由晶体管MP1、MP2、MN1 及MN2组成，输出级电路120为晶体管MPO形成的一共射极组态，而第一 偏压电流源115及第二偏压电流源125则分别用来提供放大级电路110及输 出级电路120固定大小的静态电流(或驱动电流)I_T1及I_T2。其中，输出级电 路120的输出端Vout反馈耦接至放大级电路110的一输入端AVN，以形成单 增益负反馈的输出缓冲器。此外，运算放大器100另于放大级电路110的输 出端(即晶体管MN2的漏极)与输出级电路120的输出端Vout之间耦接一 补偿电容C_M，其用来将放大级电路110及输出级电路120的输出信号作极点 分离(Pole-Splitting)，以达到稳定回路的效果。请注意，现有技术的运算放 大器100的详细运作原理为业界所熟知，在此不赘述。

一般来说，运算放大器100的反应速度取决于运算放大器内部放大级电 路的偏压电流与输出级电路的驱动电流两者的大小。然而，为了能推动外部 负载，输出级电路的驱动电流一般会设计成大于放大级电路的驱动电流。在 此情形下，当现有技术的运算放大器在驱动大负载时，驱动能力往往会被放 大级电路的偏压电流所影响的回转率给限制住。

请参考图2，图2为现有技术的运算放大器100的输入信号由低准位转 换至高准位时内部电流路径的示意图。当运算放大器100的输入信号由低准 位转换至高准位时，由于此时输入端AVP的电位瞬间提升，导致晶体管MN1、 MP1及MP2关闭，使得第一偏压电流源115仅能透过晶体管MN2由补偿电 容C_M汲取偏压电流I_T1，以拉升输出端Vout的电位。上述的电流路径在图2 中为以PATH_1表示。另一方面，请参考图3，图3为现有技术的运算放大器 100的输入信号由高准位转换至低准位时内部电流路径的示意图。当输入信 号由高准位转换至低准位时，由于输入端AVP的电位瞬间降低，导致晶体管 MN2关闭，使得放大级电路110的偏压电流I_T1将全部透过晶体管MN1汲取。 然而，由于晶体管MP1、MP2所形成的主动负载具有一电流镜架构，因此相 同大小的偏压电流I_T1将同时透过补偿电容C_M流至地端，以达到下拉输出端 Vout电位的目的。上述的电流路径在图3中为以PATH_2表示。

由此可知，运算放大器100的反应速度将会由放大级电路的偏压电流I_T1对补偿电容C_M充放电的速度决定，其可藉由下列回转率方程式表示：

也就是说，当放大级电路的偏压电流越大时，补偿电容充放电的 速度越快，而运算放大器100的反应速度也越快。