專利名稱：：電壓限制裝置及應(yīng)用其的運(yùn)算放大器及其電路設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是有關(guān)于一種電壓限制裝置，且特別是有關(guān)于一種可降4氐運(yùn)算方文大器(OperationalAmplifier)中晶體管的基才反(Substrate)電流及其產(chǎn)生的不良效應(yīng)的電壓限制裝置。
背景技術(shù)：
：液晶顯示器包括源極驅(qū)動(dòng)器(SourceDriver)、柵極驅(qū)動(dòng)器(GateDriver)及'液晶顯示面^反，其中液晶顯示面一反中具有4象素翁j且，而源極驅(qū)動(dòng)器用以提供像素?cái)?shù)據(jù)至像素?cái)?shù)組中，配合柵極驅(qū)動(dòng)器依序開啟像素?cái)?shù)組中對(duì)應(yīng)的像素列而顯示出欲顯示的圖像。請(qǐng)參照?qǐng)D1，其示出了運(yùn)算放大器中晶體管的基板電流與其偏壓的曲線圖。傳統(tǒng)技術(shù)多以運(yùn)算方文大器(OperationalAmplifier)實(shí)現(xiàn)源極驅(qū)動(dòng)器的輸出緩沖器，部分的晶體管(Transistor)會(huì)因柵極(Gate)與源極(Source)的偏壓及漏極(Drain)與源4及的偏壓產(chǎn)生4交大的基一反(Substrate)電;克及熱電子(HotElectrons)。部分的熱電子會(huì)流向晶體管的柵極并困在柵極氧化層(GateOxide)中，導(dǎo)致晶體管的臨界電壓(Thresholdvoltage)、飽和電流及特性隨著使用時(shí)間而改變，最終使其產(chǎn)生誤操作(Malfunction),使得傳統(tǒng)運(yùn)算放大器與應(yīng)用其的源極驅(qū)動(dòng)器還具有產(chǎn)品壽命較短的缺點(diǎn)。較高的基板電流亦會(huì)提高傳統(tǒng)運(yùn)算放大器與應(yīng)用其的源才及驅(qū)動(dòng)器的直流工作電流，進(jìn)而使傳統(tǒng)運(yùn)算放大器及應(yīng)用其的源極驅(qū)動(dòng)器具有耗電量較高的缺點(diǎn)；而若將其應(yīng)用在便攜式(Portable,或手提式)產(chǎn)品上，更將導(dǎo)致便攜式產(chǎn)品的續(xù)航力較差的缺點(diǎn)。較高的基板電流更可能導(dǎo)致基板電壓不斷提升而使其中的寄生晶體管被順向?qū)ǎl(fā)生閉鎖(Latchup)效應(yīng)或急速返回(Snapback)效應(yīng)而造成更大的基板電流及熱電子，使上述缺點(diǎn)更力oi也嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明有關(guān)于一種電壓限制裝置及應(yīng)用其的運(yùn)算放大器(OperationalAmplifier)，可有效地改善傳統(tǒng)運(yùn)算放大器基板(Substrate)電;克4交高、熱電子(HotElectrons)、閉鎖(Latchup)及急速返回(Snapback)等凌丈應(yīng)l交嚴(yán)重、〗專統(tǒng)運(yùn)算》文大器壽命4交短及耗電量較高的缺點(diǎn)，而實(shí)質(zhì)上可降低上述因基板電流較高導(dǎo)致電路中的不良效應(yīng)，并可使應(yīng)用其的運(yùn)算放大器及才莫擬電路具有壽命較長(zhǎng)、耗電量較低而應(yīng)用其的便攜式(Portable)裝置續(xù)航力較佳的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明提出一種電壓限制裝置，應(yīng)用于運(yùn)算放大器中，其包括第一晶體管，柵極(Gate)與源極(Source)的跨壓接近特定電壓且漏才及(Drain)與源才及的^,壓不等于零，而導(dǎo)致4交大的基才反(Substrate)電流。電壓限制裝置包括第二晶體管，源極與第一晶體管的漏極耦接，柵極接收偏壓信號(hào)使第二晶體管操作于飽和區(qū)(SaturationRegion),并使第二晶體管的源極電壓等于偏壓信號(hào)與第二晶體管臨界電壓(ThresholdVoltage)的差。如此，通過降低第一晶體管的漏極與源極的跨壓，以降低基板電流。根據(jù)本發(fā)明提出一種運(yùn)算放大器，其中包括輸入級(jí)電路及輸出級(jí)電路。輸入級(jí)電路用以接收差動(dòng)信號(hào)，并據(jù)以產(chǎn)生中間信號(hào)。輸出級(jí)電路響應(yīng)于中間信號(hào)來產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出級(jí)電路包括第一及第二晶體管。第一晶體管的柵極與源極的跨壓接近特定電壓且漏極與源極的^爭(zhēng)壓不等于零，而導(dǎo)致較大的基々反電流。第二晶體管的源極與第一晶體管的漏極耦接，柵極接收偏壓信號(hào)使第二晶體管操作于飽和區(qū)，并使第二晶體管的源極電壓等于偏壓信號(hào)與第二晶體管臨界電壓的差。如此，通過低第一晶體管的漏極與源極的跨壓，降低第一晶體管的基板電流。根據(jù)本發(fā)明提出一種運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)方法，包括下列的步驟。首先，提供運(yùn)算放大器，包括輸出電路，其中具有第一晶體管。第一晶體管的柵極與源極的跨壓接近一特定電壓，漏極與源極的3爭(zhēng)壓不等于零而產(chǎn)生基板電流。接著，設(shè)置第二晶體管于運(yùn)算放大器中，第二晶體管的源極與第一晶體管的漏極耦接。之后，提供偏壓信號(hào)至第二晶體管的柵極來偏壓第二晶體管于飽和區(qū)，并使第二晶體管的源極電壓等于偏壓信號(hào)與第二晶體管臨界電壓的差。如此，通過降低第一晶體管的漏極與源極的跨壓，降低第一晶體管的基板電流。為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下圖1示出了運(yùn)算放大器中晶體管的基板電流與其偏壓的曲線圖。圖2示出依照本發(fā)明第一實(shí)施例的運(yùn)算力欠大器的電路圖。圖3示出依照本實(shí)施例的運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)方法的流程圖。圖4示出了本實(shí)施例的另一運(yùn)算方文大器的電^各圖。主要組件符號(hào)說明10、20:運(yùn)算力丈大器12:力口法電^各14:浮4妄電;危源16:AB類l餘出電^各控制單元L1L6:電壓限制裝置M01、M02、M05、M06:專敘入晶體管M31M34:$#出晶體管M07、M08、M11M18、M21M24、MP1、畫l、MP2、MN2、MP3、MN3:晶體管具體實(shí)施例方式請(qǐng)參照?qǐng)D2,其示出依照本發(fā)明第一實(shí)施例的運(yùn)算放大器的電路圖。在本實(shí)施例中以運(yùn)算放大器10為兩級(jí)(Stage)軌對(duì)軌(Rail-to-rail)輸出輸入運(yùn)算》丈大器(OperationalAmplifier)為例作說明。運(yùn)算放大器10包括輸入級(jí)電路及輸出級(jí)電路，輸入級(jí)電路例如為軌對(duì)軌輸入電路，其用以接收差動(dòng)輸入信號(hào)Vid+及Vid-，并根據(jù)差動(dòng)輸入信號(hào)Vid+及Vid-產(chǎn)生中間信號(hào)VclVc4。輸出級(jí)電路例如為4九對(duì)4九AB類(ClassAB)輸出電路，用以響應(yīng)于中間信號(hào)VclVc4來提供輸出信號(hào)Vo。豐餘入級(jí)電^各包括輸入晶體管MOl與M02及M05與M06，豐lr入晶體管M01與M02例如為P型金屬氧化物半導(dǎo)體(MetalOxideSemiconductor,MOS)晶體管，Mr入晶體管M05與M06例如為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。輸入晶體管MOl與M02及輸入晶體管M05與M06分別形成第一與第二差動(dòng)輸入電路，其分別在差動(dòng)輸入信號(hào)Vid+及Vid-的共模信號(hào)大小接近電壓VSS及VDD時(shí)對(duì)其進(jìn)行差動(dòng)放大的操作，以實(shí)現(xiàn)出軌對(duì)軌輸入電路。電壓VDD及VSS分別例如為運(yùn)算》丈大器10的最高電壓位準(zhǔn)及最Y氐電壓位準(zhǔn)。豐lr入纟及電3各例3口還包4舌力口法電3各(SummingCircuit)12及浮才妄電;克源(floatingCurrentSource)14。力o法電3各12響應(yīng)于中間4言號(hào)VclVc4來驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)電3各提供輸出信號(hào)Vo，力。法電路12例如包括晶體管Mll、M13、M15及M17。浮接電流源14例如用以^是供偏壓電流來驅(qū)動(dòng)加法電路12的偏壓電路，其中例如包括晶體管M21與M23,分別4妻收偏壓信號(hào)Vxl與Vx2以^是供對(duì)應(yīng)的偏壓電流。輸出級(jí)電路例如包括晶體管M31及M32及AB類輸出電路控制單元16。AB類輸出電^^控制單元16例如與力卩法電3各12相互級(jí)聯(lián)(Cascode)，并受到浮接電流源14的驅(qū)動(dòng)來控制輸出晶體管M31及M32的操作以4是供輸出信號(hào)Vo。AB類輸出電路控制單元16例如包括晶體管M22與M24,其也接收偏壓信號(hào)Vxl與Vx2。本實(shí)施例的AB類輸出電^各控制單元16例如還包括電壓限定裝置Ll及L2，其分別與晶體管M22與M24的漏極耦接，并分別用以控制晶體管M22與M24的漏極電壓，以達(dá)到降低晶體管M22與M24產(chǎn)生的基板電流。接下來以晶體管MP1的偏壓設(shè)計(jì)及其操作為例作i兌明。在運(yùn)算》文大器10運(yùn)作時(shí)晶體管M22偏壓在々包和區(qū)(SaturationRegion)，因此晶體管M22會(huì)有4冊(cè)才及與源才及的3爭(zhēng)壓及漏極與源才及的跨壓不全為零的偏壓狀況。此時(shí)晶體管M22產(chǎn)生基板(Substrate)電流，晶體管M22的基纟反電流、棚-才及與源一及的3爭(zhēng)壓及漏纟及與源才及的3爭(zhēng)壓的關(guān)系如圖1所示。晶體管M22的柵極與源扨j爭(zhēng)壓例如接近3伏特，而漏極與源極的跨壓例如接近14.85伏特。由圖l可知，此時(shí)晶體管M22產(chǎn)生的基板電流接近1.40xl(T5安培。本實(shí)施例的電壓限制裝置Ll例如具有晶體管MP1,其源極與晶體管M22的漏極耦接，柵極接收偏壓信號(hào)Vbl,漏極耦接至晶體管M17的漏才及。偏壓4言號(hào)Vbl例如用以偏壓晶體管MP1于々包和區(qū)，并4吏其的源一及，也就是晶體管M22的漏極電壓基本上等于偏壓信號(hào)Vbl與晶體管MP1的臨界電壓(ThresholdVoltage)的差。如此，可通過^是供不同位準(zhǔn)的偏壓信號(hào)Vbl來控制晶體管M22的漏極電壓，以降低晶體管M22的漏極源極跨壓。這樣一來，本實(shí)施例的電壓限制裝置Ll可有效地通過控制晶體管M22的漏才及電壓來達(dá)到降低其基板電流，進(jìn)而改善晶體管M22可能因基板電流較高而造成的熱電子(HotElectrons),閉鎖(Latchup)、及急速返回(Snapback)等效應(yīng)較為嚴(yán)重、運(yùn)算放大器10的壽命較短及耗電量較高的缺點(diǎn)。電壓限定裝置L2亦具有基本上相近的操作，可降低晶體管M24的漏極源極跨壓及其基板電流。本實(shí)施例的運(yùn)算放大器10還具有電壓限制裝置L3及L4,其分別包括晶體管MP2及MN2,其源極分別與輸出晶體管M31及M32漏才及耦4妻，而柵才及分別4妄收偏壓信號(hào)Vb3及Vb4。電壓限制裝置L3及L4與電壓限制裝置Ll也具有基本上相近的操作，可有效地分別通過降低晶體管M31及M32的漏極電壓，來P爭(zhēng)低其基板電流。這樣一來，本實(shí)施例的運(yùn)算放大器10及電壓限制裝置L1L4可有效地分別通過降低晶體管M22、M24、M31及M32的漏極電壓的手段來分別達(dá)到降低其基板電流的效果。本實(shí)施例的運(yùn)算放大器10還具有偏壓電路，其中包括晶體管M03、M04、M07、M08，其4妄收不同的偏壓信號(hào)Vx3Vx6來對(duì)輸入晶體管MOl、M02、M05、M06、加法電^各12進(jìn)4亍偏壓。而本實(shí)施例的運(yùn)算放大器IO還具有電容CI及C2，其為米勒(Miller)電容。請(qǐng)參照第3圖，其示出依照本實(shí)施例的運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì)方法的流程圖。如步驟302，提供具有輸出電^各的運(yùn)算放大器10，其中晶體管M22、M24、M31及M32的棚-才及與源才及的^爭(zhēng)壓4妻近特定電壓，漏極與源極的跨壓不等于零以產(chǎn)生較大的基板電流。本實(shí)施例的運(yùn)算放大器10的制程技術(shù)對(duì)應(yīng)的特定電壓為3伏特。接著，如步驟304，設(shè)置晶體管MP1、MN1、MP2及MN2于運(yùn)算力文大器10中，其源極分別與晶體管M22、M24、M31及M32的漏極耦接。之后，如步驟306,分別提供偏壓信號(hào)VblVb4至晶體管MP1、MN1、MP2及MN2的牙冊(cè)才及，來偏壓其于々包和區(qū)。如此，使4尋晶體管MP1、MN1、MP2及MN2的源4及電壓，也;f無是晶體管M22、M24、M31及M32的漏極電壓分別等于偏壓信號(hào)Vbl-Vthl、Vb2-Vth2、Vb3-Vth3及Vb4-Vth4，由此來降{氐晶體管M22、M24、M31及M32的漏才及與源才及的^爭(zhēng)壓及其基一反電流。其中VthlVth4分別為晶體管MP1、MN1、MP2及MN2的臨界電壓。在本實(shí)施例中，雖僅以運(yùn)算放大器10設(shè)置有四個(gè)電壓限制裝置L1L4為例作說明，然而，本實(shí)施例的運(yùn)算放大器10不局限于設(shè)置四個(gè)電壓控制裝置L1L4，而可僅設(shè)置其中部分的電壓限制裝置來達(dá)到降低運(yùn)算放大器10的整體電流消耗的功效。在本實(shí)施例中雖僅以軌對(duì)軌運(yùn)算放大器10中的晶體管M22、M24、M31及M32的柵極與源極間的跨壓及漏極與源極的3爭(zhēng)壓條件導(dǎo)致其產(chǎn)生較高基板電流的情形為例作說明，然而，本實(shí)施例的電壓限制裝置不局限于應(yīng)用在本實(shí)施例的軌對(duì)軌運(yùn)算放大器10中，制其中有基板電流過高問題的晶體管的漏極電壓，以達(dá)到降低其基板電流的效果。例如，與本實(shí)施例的電壓控制裝置L3及L4具有基本上相近的結(jié)構(gòu)的電壓控制裝置L5及L6可應(yīng)用于另一雙級(jí)運(yùn)算》文大器20中，以對(duì)其中的輸出晶體管M33及M34的漏極電壓進(jìn)行控制。在本實(shí)施例中雖僅以電壓控制裝置L1L6應(yīng)用于運(yùn)算》丈大器10及20中的才喿作情形為例作說明，然而，本實(shí)施例的電壓控制裝置不局限于應(yīng)用于運(yùn)算力丈大器中，而更可廣泛地應(yīng)用在任何具有造成較高的基板電流的晶體管的模擬電路中。本實(shí)施例的電壓限制裝置用以對(duì)應(yīng)用其的運(yùn)算放大器或模擬電路中可能因柵極、漏極與源極的偏壓條件而導(dǎo)致產(chǎn)生較高的基板電流的一個(gè)或一個(gè)以上晶體管的漏極電壓進(jìn)行控制，以通過降低這些晶體管的漏極源極電壓來降低對(duì)應(yīng)的基板電流。如此，本實(shí)施例的電壓限制裝置可有效地改善傳統(tǒng)運(yùn)算放大器或才莫擬電路中基板電流較高及其導(dǎo)致的熱電子、閉鎖及急速返回等效應(yīng)較嚴(yán)重、使得其壽命較短及耗電量較高的缺點(diǎn)，而實(shí)質(zhì)上可降低上述因基板電流專交高導(dǎo)致的不良效應(yīng)，并可^f吏應(yīng)用其的運(yùn)算i文大器與才莫擬電^各具有壽命較長(zhǎng)、耗電量較低而應(yīng)用其的便攜式(Portable)裝置的續(xù)航力凈交佳的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求書所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。權(quán)利要求1.一種電壓限制裝置，應(yīng)用于運(yùn)算放大器中，所述運(yùn)算放大器包括第一晶體管，柵極與源極的跨壓接近一特定電壓且漏極與源極的跨壓不等于零，導(dǎo)致一基板電流，所述電壓限制裝置包括第二晶體管，源極與所述第一晶體管的漏極耦接，柵極接收一偏壓信號(hào)使所述第二晶體管操作于飽和區(qū)，并使所述第二晶體管的源極電壓等于所述偏壓信號(hào)與所述第二晶體管臨界電壓的差，由此來降低所述第一晶體管的漏極與源極的跨壓，以降低所述基板電流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓限制裝置，其中所述第一和所述第二晶體管均為N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓限制裝置，其中所述第一和所述第二晶體管均為P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。4.一種運(yùn)算放大器，包括車命入級(jí)電3各，用以4妄收一差動(dòng)4言號(hào)，并才居以產(chǎn)生一中間信號(hào)；以及輸出級(jí)電路，響應(yīng)于所述中間信號(hào)來產(chǎn)生一輸出信號(hào)，所述輸出級(jí)電^各包括第一晶體管，在所述運(yùn)算放大器工作時(shí)4冊(cè)極與源才及的3,壓4妄近特定電壓且漏4及與源一及的^爭(zhēng)壓不等于零，而導(dǎo)致專交大的基才反電力充；以及第二晶體管，源極與所述第一晶體管的漏極耦接，柵極接收一偏壓信號(hào)使所述第二晶體管操作于飽和區(qū)，并使所述第二晶體管的源極電壓等于所述偏壓信號(hào)與所述第二晶體管臨界電壓之差，由此來降低所述第一晶體管的漏極與源極的跨壓，以降低所述第一晶體管的基板電流。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運(yùn)算放大器，其中所述輸出級(jí)電路為一AB類豐lr出電^各。6.—種運(yùn)算》文大器的電蹈4殳計(jì)方法，包4舌提供運(yùn)算放大器，包括輸出電路，其中具有第一晶體管，所述第一晶體管的柵極與源極的跨壓接近一特定電壓，漏極與源極的3夸壓不等于零而產(chǎn)生一基板電流；設(shè)置第二晶體管于所述運(yùn)算放大器中，所述第二晶體管的源極與所述第一晶體管的漏極耦接；以及提供一偏壓信號(hào)至所述第二晶體管的柵極來偏壓所述第二晶體管于飽和區(qū)，并使所述第二晶體管的源極電壓等于所述偏壓信號(hào)與所述第二晶體管臨界電壓之差，由此來降低所述第一晶體管的漏極與源極的跨壓，以降低所述第一晶體管的基板電流。全文摘要一種電壓限制裝置，應(yīng)用于運(yùn)算放大器中，其包括第一晶體管，柵極(Gate)與源極(Source)的跨壓接近特定電壓且漏極(Drain)與源極的跨壓不等于零，而導(dǎo)致較大的基板(Substrate)電流。電壓限制裝置包括第二晶體管，源極與第一晶體管的漏極耦接，柵極接收偏壓信號(hào)使第二晶體管操作于飽和區(qū)(SaturationRegion)，并使第二晶體管的源極電壓等于偏壓信號(hào)與第二晶體管臨界電壓(ThresholdVoltage)之差。如此，通過降低第一晶體管的漏極與源極的跨壓，降低基板電流。文檔編號(hào)H03F3/45GK101304240SQ20071009748公開日2008年11月12日申請(qǐng)日期2007年5月9日優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日發(fā)明者左克揚(yáng),林克旯,梁彥雄,趙晉杰申請(qǐng)人:瑞鼎科技股份有限公司