【導(dǎo)讀】本文提出了一種適用于大型平板顯示器(FPD)應(yīng)用的高抖動(dòng)率、低功耗、CMOS、軌到軌緩沖放大器。輸出緩沖器的主要電路是一個(gè)軌到軌、折疊式級(jí)聯(lián)、AB類(lèi)放大器，它可以使用一個(gè)緊湊、新穎、自適應(yīng)偏置方案來(lái)控制尾流源。所提出的輸出緩沖器放大器提高了整個(gè)軌到軌輸入信號(hào)范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)率。為了在不增加靜態(tài)電流的情況下獲得高回轉(zhuǎn)率和低功耗，自適應(yīng)偏置的尾流源在輸出緩沖放大器的過(guò)渡時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生額外的電流。
研究人員采用1.6μm 18-V CMOS技術(shù)制造了一個(gè)包含所提出的緩沖放大器的列驅(qū)動(dòng)IC，其評(píng)估結(jié)果表明，在提供相同的沉降時(shí)間時(shí)，靜態(tài)電流降低了39.2%。在幾乎相同的靜態(tài)電流汲取和占用的有效面積的情況下，所提出的放大器在沉降時(shí)間方面也實(shí)現(xiàn)了高達(dá)49.1%(90%下降)和19.9%(99.9%下降)的改進(jìn)。
相關(guān)論文以題為“High-Speed Rail-to-Rail Class-AB Buffer Amplifier with Compact, Adaptive Biasing for FPD Applications”于2020年11月29日發(fā)表在《Electronics》上。
大尺寸、高分辨率平板顯示器(FPD)面板的需求，對(duì)薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)列(數(shù)據(jù)或源)驅(qū)動(dòng)器的低功耗、高回轉(zhuǎn)率工作有強(qiáng)烈的要求。由于顯示面板需要更大的尺寸和更高的分辨率，為了更有效地驅(qū)動(dòng)大功率的電阻和電容負(fù)載，且具有低功耗、小面積和快速的沉降時(shí)間，液晶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的列驅(qū)動(dòng)器變得非常重要。FPD面板的列驅(qū)動(dòng)器一般包括移位寄存器、輸入寄存器、數(shù)據(jù)鎖存器、電平移位器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和帶輸出開(kāi)關(guān)的輸出緩沖器。
FPD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般采用模擬或數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式。隨著顯示分辨率的提高，輸出緩沖器的電阻和電容負(fù)載增加，而所需的沉降時(shí)間則減少。液晶柱驅(qū)動(dòng)器的輸出緩沖器的目標(biāo)沉降時(shí)間應(yīng)短于面板的水平掃描時(shí)間。軌對(duì)軌A類(lèi)、AB類(lèi)或B類(lèi)放大器已被普遍用作FPD柱驅(qū)動(dòng)器的緩沖放大器。輸出緩沖放大器采用了軌至軌輸入級(jí)和雙路徑推挽輸出級(jí)，B類(lèi)和AB類(lèi)輸出部分組合在一起，以提高回轉(zhuǎn)率。
因此，隨著偏置電流的增加，靜態(tài)功耗也會(huì)增加，以提供高回轉(zhuǎn)率的性能。為了在沒(méi)有大的靜態(tài)偏置電流的情況下提高回轉(zhuǎn)率，人們提出了具有動(dòng)態(tài)偏置的軌到軌、折疊式級(jí)聯(lián)、AB類(lèi)緩沖放大器。但是，它們存在一些缺點(diǎn)。動(dòng)態(tài)偏置電路采用P型回轉(zhuǎn)檢測(cè)器來(lái)增加核心放大器N型輸入差分對(duì)的尾部電流，采用N型回轉(zhuǎn)檢測(cè)器來(lái)增加P型輸入差分對(duì)的尾部電流。
因此，可以提高回轉(zhuǎn)率，但功率和面積開(kāi)銷(xiāo)也變大。此外，由于每個(gè)輸入差分對(duì)都使用了相反類(lèi)型的回轉(zhuǎn)檢測(cè)器，因此緩沖放大器不能在整個(gè)軌至軌輸入信號(hào)范圍內(nèi)充分發(fā)揮作用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們提出了一種圖1所示的改進(jìn)型類(lèi)AB輸出放大器。在這個(gè)緩沖放大器中，動(dòng)態(tài)偏置電路經(jīng)過(guò)修改，允許使用與輸入差分對(duì)相同類(lèi)型的回轉(zhuǎn)檢測(cè)器來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整偏置電流，從而在整個(gè)軌到軌信號(hào)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全的回轉(zhuǎn)率提升。然而，不幸的是，由此產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏置電路需要許多晶體管（多達(dá)26個(gè)晶體管）。因此，它仍然會(huì)導(dǎo)致功率和面積開(kāi)銷(xiāo)的大幅增加。所以，在TFT-LCD列驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)低功耗、小面積的高回轉(zhuǎn)率輸出緩沖放大器是不可缺少的。
圖1.傳統(tǒng)緩沖放大器 傳統(tǒng)的緩沖放大器，在整個(gè)軌到軌輸入和輸出信號(hào)范圍內(nèi)具有回轉(zhuǎn)率增強(qiáng)功能。
擬議的緩沖放大器
所提出的緩沖放大器的電路原理圖如圖2所示。它被配置為一個(gè)互補(bǔ)差分輸入級(jí)，然后是一個(gè)浮動(dòng)電流源級(jí)，用于提供軌至軌輸入共模范圍，并像傳統(tǒng)的緩沖放大器那樣進(jìn)行class-AB操作。然而，與傳統(tǒng)的緩沖放大器不同的是，所提出的緩沖放大器并沒(méi)有使用具有輔助差分對(duì)和多個(gè)電流鏡的笨重動(dòng)態(tài)偏置電路來(lái)提高回轉(zhuǎn)率。相反，它只集成了兩個(gè)額外的晶體管，MP3A和MN3A，作為互補(bǔ)輸入級(jí)中共源放大器的尾流源，它們分別由信號(hào)Pu和Pd驅(qū)動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)晶體管MP8和MN8。用于MP3A(MN3A)電流鏡像工作的晶體管MP9、MN9、MN10和MN11(MN12、MP10、MP11和MP12)用于整個(gè)軌至軌信號(hào)范圍內(nèi)的全回轉(zhuǎn)率增強(qiáng)。MN9(MN10)通過(guò)降低電流鏡像晶體管MN10和MN11(MP11和MP12)的漏極和柵極電壓以及共源放大器的靜態(tài)電流來(lái)降低靜態(tài)電流，而MP9和MN12則作為額外的尾流源。
隨后，研究人員所提出的緩沖放大器在輸入級(jí)中結(jié)合了主尾流源(MP3和MN3)和輔助尾流源(MP3A和MN3A)，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)工作。這些輔助晶體管的尺寸比輸出驅(qū)動(dòng)器MP8和MN8小40倍左右。此外，由于窄幅效應(yīng)，即MOS晶體管的閾值電壓隨著晶體管寬度的變窄而增加，MP3A和MN3A的閾值電壓變得比MP8和MN8的閾值電壓在穩(wěn)定狀態(tài)下要高。這些效應(yīng)結(jié)合在一起，讓MP3A和MN3A的偏置電流比MP8和MN8的偏置電流小很多。
例如，在研究人員的設(shè)計(jì)中(DC 8.5 V = VDD/2 @VDD = 17 V)，MP3A和MN3A的尺寸是這樣的，閾值電壓被做成937和964 mV，而MP8和MN8的尺寸是這樣的，閾值電壓分別被做成808和831 mV，結(jié)果MP3A和MN3A的閾值電壓比MP8和MN8的閾值電壓高約130 mV。現(xiàn)在，將Pu和Pd的偏置電壓分別設(shè)置為VDD 888和910 mV，使其大于MP8和MN8的閾值電壓，而小于MP3A和MN3A的閾值電壓。這導(dǎo)致MP3A和MN3A的偏置電流約為5 nA，與MP3/MN3(1.6 µA)、MP5/MN5(2.1 µA)、MP7/MN7(2.1 µA)和MP8/MN8(5.6 µA)的偏置電流相比，可以忽略不計(jì)，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)下放大器的整體偏置電流幾乎沒(méi)有增加。
圖2.建議的緩沖放大器在整個(gè)軌到軌信號(hào)范圍內(nèi)具有面積和功率效率的提升。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
研究人員采用1.6 μm 18 V CMOS技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)包含所提出的緩沖放大器的大尺寸平板顯示器(FPD)的列驅(qū)動(dòng)IC。圖3a描繪了列驅(qū)動(dòng)IC的布局圖，其中有源區(qū)占據(jù)了12 685μm2×1010μm2。圖3b顯示，測(cè)量到的點(diǎn)反轉(zhuǎn)中白色圖案(全擺)的輸出波形證明了所提出的輸出緩沖電路具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。圖4所示為傳統(tǒng)緩沖放大器和所提出的緩沖放大器的仿真輸出波形，其中的沉降行為可以進(jìn)行比較。仿真的條件是，緩沖放大器在0.2 V～16.8 V的電壓擺幅下，相同地驅(qū)動(dòng)一個(gè)8.5ΚΩ的電阻和300 pF的電容作為55英寸TFT-LCD面板的柱線負(fù)載。由圖4可知，所提出的輸出緩沖器的上升和下降過(guò)渡的沉降時(shí)間比傳統(tǒng)緩沖放大器快得多。需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)這種高性能，所提出的緩沖放大器所使用的靜態(tài)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)緩沖放大器。
圖3.采用所提出的輸出緩沖放大器的列驅(qū)動(dòng)IC。使用所提出的輸出緩沖放大器的列驅(qū)動(dòng)IC。(a)布局圖和(b)測(cè)得的白色圖案(VSS2 +0.2 V(0.2 V)-VDD -0.2 V(16.8 V))在點(diǎn)逆中的輸出波形。
圖4.緩沖放大器的模擬輸出波形。
所提出的緩沖器放大器性能的提高來(lái)自于緩沖器可以使用較少的晶體管數(shù)量更有效地實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)率的提高，從而獲得更高的面積效率、更低的功耗和更快的沉降。以上提出的實(shí)驗(yàn)評(píng)估結(jié)果意味著，所提出的緩沖放大器適用于高回轉(zhuǎn)率工作的放大器，非常適合作為大型高清晰度FPD的列驅(qū)動(dòng)器。
結(jié)論
研究人員提出了一種具有自適應(yīng)偏置電路的高速、低功耗、軌到軌、折疊式級(jí)聯(lián)、AB類(lèi)輸出緩沖放大器。所提出的緩沖放大器采用了一種緊湊、新穎的自適應(yīng)偏置方案來(lái)提高回轉(zhuǎn)率。為了獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)，所提出的自適應(yīng)偏置方案只需要兩個(gè)附加尾流源的晶體管和八個(gè)電流鏡的晶體管。這些額外的晶體管可以在回轉(zhuǎn)期間為核心放大器提供大量的額外偏置電流，而在穩(wěn)態(tài)期間消耗的電流可以忽略不計(jì)。所提出的自適應(yīng)偏置方法可以適用于高回轉(zhuǎn)率工作的放大器，并且非常適合大型高清晰度FPD中的列驅(qū)動(dòng)器。
論文鏈接：https://www.mdpi.com/2079-9292/9/12/2018/htm
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