CN100442348C - 用于信号放大的电路及其在有源矩阵装置中的应用 - Google Patents

Abstract

一种放大电路，包括一个电容器结构(42)和一个开关结构。电容器结构包括一个具有压敏电容量的第一电容器(C₂)和一个第二电容器(C₁)(也可以是压敏的)。电路以两种模式操作，在第一模式下，将输入电压提供到至少第一电容器的一个端子上，在第二模式下，开关结构使得电荷在第一和第二电容器之间重新分配，以致于第一电容器两端的电压得到改变，从而减少第一电容器的电容量，输出电压取决于第一电容器两端得到的电压。本发明利用了压控电容与电容器间电荷的共用相结合，结果提供电压放大特性。该结构可被用于模拟电压的放大或者固定电平的升压(例如数字电压)。因此本发明的电路可被用于电平平移或者放大，例如用于有源矩阵阵列装置的像素。

Description

用于信号放大的电路及其在有源矩阵装置中的应用

技术领域

本发明涉及放大或者升压电路，特别是利用电容性耦合效应的放大或升压电路。上述电路特别用于有源矩阵阵列装置中。

背景技术

有源矩阵阵列装置在多种应用中得到了广泛的使用。例如，有源矩阵阵列装置设备已被用作传感器、存储器和显示装置，例如有源矩阵阵列液晶(LC)显示装置，或者有源矩阵有机发光二极管(OLED)显示器。

一般来说，有源矩阵阵列设备典型地包括多个数据导线(例如列)，上述数据导线被排列成与多个寻址导线(例如行)相交。矩阵阵列单元在寻址导线和数据导线的每个交叉点处与寻址导线和数据导线二者连接。有源矩阵装置中的单元包括开关，典型地具有薄膜晶体管(TFT)的形式，用于有选择地将数据信号切换到到该单元的其余部分，例如显示像素、传感器单元或者存储器单元。

这些单元典型地包括存储电荷的电容性元件，该电荷取决于数据电平。

这些装置(不管是显示器、传感器、存储器还是其它的装置)中的刷新率一般要求矩阵单元开关能够快速导通或者断开，这转而对用于切换晶体管开关的电压电平强加了足够快速的要求。已经有了各种不同的用于升高电源电压来使得它们适于控制晶体管的电路。而且已经以各种不同的形式提出了像素内信号放大。

对具有少量元件、从而适于集成到阵列装置的像素/单元中或者适于升高电压电平的信号放大电路仍有需求。

发明内容

根据本发明，提供一种放大电路，包括：

输入端，向该输入端提供输入电压；

电容器结构；

开关结构；

其中电容器结构包括具有压敏电容量的第一电容器和第二电容器，

其中，电路以两种模式操作，在第一模式下，将输入电压提供到至少第一电容器的一个端子，在第二模式下，开关结构使得电荷在第一和第二电容器之间重新分配，以致于第一电容器两端的电压得到改变，从而减少第一电容器的电容量，输出电压取决于结果得到的第一电容器两端的电压。

本发明利用了压控电容量与电容器间电荷的共用相结合，结果提供电压放大特性。因此该结构可以被用于模拟电压的放大或者固定电平的升压(例如数字电压)。因此，本发明的电路可被用于电平位移或者放大，并且使用少量的元件来集成为阵列像素(如果希望的话)。

开关结构可以包括输入开关，该输入开关用于有选择地将输入电压连接到电容器结构，其中在第一模式下，输入开关将输入电压连接到电容器结构，在第二模式下，输入开关使输入电压与电容器结构隔离。在第二模式下，第一和/或第二电容器的一个端子的电压被改变。因此，该结构将输入电压存储到电容器结构上，随后改变控制电压来影响改变输出电压的电荷共用操作。

第一电容器的一个端子的电压的改变最好导致电容量的减少。这可被用于产生电压的增加。

第二电容器也可以是压敏的，在第二模式下，第二电容器的一个端子的电压也可被改变。这可被用于平衡电荷流动。例如，在第二模式下，第一电容器的一个端子的电压得到增加，同时第二电容器的一个端子的电压得到降低。

第二电容器的一个端子的电压的改变最好导致电容量的减少。第一和第二电容器可以是一样的。

在另一种结构中，开关结构包含：

一个第一开关或多个第一开关，用于将输入电压连接到第一和第二电容器的一个端子；

第二开关，用于将各个控制电压连接到第一和第二电容器的一个端子；

一个输入开关，用于将参考电压连接到第一和第二电容器的另一个端子。

在该结构中，在第一模式下，第一开关或多个第一开关和输入开关闭合，因此电容器两端的电压取决于输入电压，在第二模式下，第二开关闭合，输出电压包括第一和第二电容器的另一个端子上的电压。

在另一个结构中，输入端连接到第一和第二电容器的一个端子，并且各个控制电压通过开关结构的各个控制开关，连接到第一和第二电容器的另一个端子。开关结构最好进一步包括短路开关，该短路开关连接在第一和第二电容器的另一个端子之间。

在该电路中，在第一模式下，控制开关闭合，电容器两端的电压取决于输入电压，在第二模式下，短路开关闭合，输出电压包括第一和第二电容器的另一个端子上的电压。

通常，压敏电容器或每个压敏电容器可以包括晶体管，该晶体管的源极和漏极连接到一起，其中一个端子由栅极定义，另一个端子由相连接的源极和漏极定义。这提供了一个很容易与其它晶体管设备集成的压敏电容器。例如，薄膜MOS晶体管可被使用。

输入开关可由第一电容器的一个端子上的电压控制。以这种方式，定时控制和电容器的压敏控制由单个控制信号控制，简化了电路的控制，并且减少了所需控制线的数目。输入开关可以包含第一晶体管，该第一晶体管的栅极连接到第一电容器的一个端子。当使用第二压敏电容器时，输入开关可以包含第二晶体管，该第二晶体管与第一晶体管并联，并且第二晶体管的栅极连接到第二电容器的一个端子。

本发明的电路可被用于一种有源矩阵装置，该有源矩阵装置包括装置单元阵列和用于产生控制装置单元的控制信号的电路。该电路用于在控制信号提供到装置单元之前增加控制信号的电压电平。

本发明的电路也可被用于阵列的外部，来使得来自外部ICs的信号的电平平移，例如，来自低压控制器IC的控制信号或者来自外部存储器IC的数字数据信号。电平平移信号可由集成TFT电路例如列驱动电路中的数模转换器加以处理。

在另一个应用中，本发明可用于有源矩阵显示装置，该设备包括显示像素阵列，每个显示单元具有像素刷新电路，其中该像素刷新电路在其中包含本发明的用于放大控制晶体管的栅极电压的电路。

例如，刷新电路可以包含读出电路和写电路，上述读出电路在存储电容器结构中存储一个显示像素电压，上述写电路取决于存储的显示像素电压提供一个电压到显示像素，其中写电路包含控制晶体管，控制晶体管的栅极电压由存储电容器结构提供，其中存储电容器结构包含放大电路的电容器结构。

更通常地，本发明的电路可被用于有源矩阵阵列装置，该有源矩阵阵列装置包含一个装置单元阵列，阵列中的每个装置单元被提供有本发明的电路。例如设备单元可以包含存储单元、图像传感像素或者显示像素。

本发明还提供了一种放大信号的方法，包含：

提供一个输入信号到一个电容器结构，该电容器结构包含一个具有压敏电容量的第一电容器和一个第二电容器，

使输入信号与电容器结构隔离；和

改变在第一电容器的一个端子上的电压，因此改变第一电容器的电容量和改变输出电压。

附图说明

本发明的实例将参考附图详细描述，附图如下：

附图1示出了有源矩阵LC显示器的传统像素线路图；

附图2示出了一个完整的LC显示器；

附图3示出了本发明的一个放大电路的结构图；

附图4示出了附图3的电路的一种实施方式；

附图5示出了在附图3的电路中使用的压敏电容器的特性；

附图6示出了用于控制附图3的电路的控制电压；

附图7示出了用于模拟电路响应的电容器特性的简化模型；

附图8示出了附图3的电路响应，该响应基于附图7的压敏电容器的模型；

附图9示出了附图3的电路的第二种实施方式；

附图10示出了用于控制附图9的电路的控制电压；

附图11示出了附图9的电路响应，该响应基于附图7的压敏电容器的模型；

附图12示出了附图9的电路的一种电路实施方式；

附图13示出了附图12的电路响应；

附图14示出了本发明的电路的另一个实例；

附图15示出了在附图14的电路中使用的压敏电容器的特性；

附图16示出了用于控制附图14的电路的控制电压；

附图17示出了附图14的电路响应；

附图18示出了本发明的电路的另一个实例；

附图19示出了用于控制附图18的电路的控制电压；

附图20示出了附图18的电路响应；

附图21示出了具有一个输出缓冲器的附图12的电路；

附图22示出了具有一个输出锁存器的附图12的电路；

附图23示出了一个具有像素刷新电路的建议LCD像素线路图；

附图24示出了附图23的电路如何被修改来使用本发明的放大装置的结构图；

附图25示出了附图24的电路的一种实施方式。

具体实施方式

本发明总体上涉及用于对信号进行放大的电路。不过，本发明更加具体来说与有源矩阵阵列装置中的放大要求有关。为此，首先介绍有源矩阵装置的最普通形式中的一种，以及要由本发明解决的与这些装置有关的具体问题。

附图1示出了用于有源矩阵液晶显示器的一种传统像素结构。将该显示器设置为成多行和多列的像素阵列。每一行像素共用一个公共行导线10，每一列像素共用一个公共列导线12。每个像素包栝一个薄膜晶体管14和一个液晶单元16，二者串联设置在列导线12和公共电极18之间。晶体管14是通过行导线10上提供的信号而得以导通和截止的。因此行导线10与相关像素行的各个晶体管14的栅极14a相连接。每个像素此外还包括一个存储电容器20，该存储电容器20的一端22与下一行电极、前一行电极或者一个单独的电容器电极相连接。电容器20存储驱动电压，从而即使在晶体管14已被截止之后，也能够维持液晶单元16两端的信号。

为了将液晶单元16激励到希望的电压来获得所需的灰度级，与在行导线10上提供行寻址脉冲同步地，在列导线12上提供适当的模拟信号。行地址脉冲导通薄膜晶体管14，从而使得列导线12能够将液晶元16充电到希望的电压，而且还能够将存储电容器20充电到相同电压。在行地址脉冲的尾部，使得晶体管14截止，并且当正在对其它行寻址时，存储电容器20维持单元16两端的电压。存储电容器20减少液晶渗漏的影响，并且减少由液晶单元电容量的电压相关性造成的像素电容量的百分比变化。

对行是顺序相继寻址的，以致所有行在一个帧周期内被寻址，并且在随后的帧周期中刷新。

如附图2所示，行寻址信号由行驱动电路30提供到显示像素阵列34、像素驱动信号由列寻址电路32提供到显示像素阵列34。显示器有背景光36，并且各个液晶单元16调制(也就是可变地衰减)来自背景光36的光，来改变从显示像素阵列34相对侧观看到的像素图像亮度(用箭头38表示)。阵列34组成有源矩阵显示模块。滤色器用于提供红、绿、蓝像素，使得彩色显示设备能够得以形成。

本发明涉及使用压敏电容器来放大信号。该技术尤其关注在因TFT性能有限和布设电路的空间有限造成使用传统的信号放大技术可能很困难的诸如显示器(如上所述)和传感器之类的大面积矩阵装置的像素电路中的应用。

附图3示意性地示出了本发明的电路的一种总体方案。按照在本发明的这种形式，输入传递电路40用于建立电容器42的结构上的输入信号，输出传递电路44用于将放大信号传给其它电路。

在附图4中给出了解释说明这种解决途径的原理的简化电路。输入信号电压通过开关S_IN施加到电容器C₁和C₂。该开关代表输入传递电路40。C₁是具有固定值的电容器，而C₂是具有随它两端存在的电压而变的电容量的电容器。在实际电路中，这些电容器可以是真正的电路元件或者可以代表电路的寄生电容，例如电路的布局电容量或者开关装置比如薄膜晶体管的电容量。在附图4中没有示出输出传递电路。

压敏电容器C₂可由金属氧化物半导体(MOS)电容器形成。附图5表示MOS电容器的电容量如何按照函数f_c(V_c)随它两端的电压改变。当所施加的电压V_c具有大的正值时，电容量趋向于最大值。当所施加的电压V_c具有较低的值时，电容量减少到最小值。

附图3电路的功能是在沿着该曲线的不同点上对输入周期和对输出周期进行操作。附图5表示对于输出周期的电容器电压V_OUT-V_A2和对于输入周期的电容器电压V_IN-V_A1。

与电路操作相关的波形如附图6所示。电路操作的第一部分是开关S_IN闭合一段时间，使得电路的输出节点能够充电到输入电压电平V_IN。随后开关断开，施加到电容器C₂一侧的电压从初始电平V_A1变为更高电平V_A2。

电压V_A的改变对电路的输出电压的影响可通过考虑因V_A渐变造成的C₁和C₂上存在的电荷的变化必须大小相等符号相反而加以评估。

ΔQ₁＝(V_OUT-V_IN)C₁

$\mathrm{\Δ}{Q}_2=\underset{\mathrm{VIN}-\mathrm{VA}1}{\overset{\mathrm{VOUT}-\mathrm{VA}2}{\∫}}\mathrm{fc}\left(v\right)\mathrm{dV}$

ΔQ₁＝-ΔQ₂

考虑电容器C₂的电压相关性可通过附图7所示的简单的阶越函数来描述的情况，附图7表示在C_2max和C_2min之间电容量发生阶越变化时的阈值V_T。V_A1和V_A2是这样选择的：在输入阶段期间，C₂两端的电压大于电容器的阈值电压V_T，在输出阶段期间，C₂两端的电压小于电容器的阈值电压。

通过使C₁和C₂之间的电荷流量相等，可以将输出电压与输入电压关联起来。

ΔQ₁＝-ΔQ₂

(V_OUT-V_IN)C₁＝C_2min(V_T-(V_OUT-V_A2))+C_2max((V_IN-V_A1)-V_T)

V_OUT(C₁+C_2min)＝V_IN(C₁+C_2max)+C_2min(V_T+V_A2)-C_2max(V_A1+V_T)

最大信号增益因此是 $\mathrm{Gain}=\frac{C_1+C_{2\max }}{C_1+C_{2\min }}$

还有偏移电压 $\mathrm{Offset}=\frac{C_{2\min }(V_T+V_{A2})-C_{2\max }(V_{A1}+V_T)}{(C_1+C_{2\min })}$

如果C₁＝0.05pF，C_2max＝0.1pF，C_2min＝0.02pF，则Gain＝2.14。

这一增益只在电压的某一范围内获得。在附图8中针对V_A1＝0V、V_A2＝5V和V_T＝2V的情况图解说明了V_OUT作为V_IN的函数变化的方式。该特定电路的操作由三个区域表征。在输入电压的某一范围内，电路的小信号增益等于计算值2.14。但是，如果输入电压落到某一值之下或者增大到高于第二个值，则增益下降到1。电路的小信号增益大于一的区域的极限点相当于电容器C₂两端的初始或者最终电压等于阈值电压V_T的点。超出这些极限点，C₂的电容量在输入和输出周期之间值并不改变，因此电路的增益下降为1。下限为V_IN-V_A1＝V_T或者V_IN＝V_T+V_A1。上限为V_OUT-V_A2＝V_T或者V_OUT＝V_T+V_A2。为了实现最大信号增益，应当将输入信号范围严格限制为该上限和下限之间的范围，不过只要至少部分输入信号范围落到这些极限点之间，仍然可以达到大于一的增益，但是放大将不是线性的。

附图8示出的界限明确的操作区域反映了附图7所示的电容量的阶越函数特性。在实际电路中，电容量变化可能是比较逐渐的，如附图5所画出的那样，并且这样将会有使得这三个操作区域之间的过渡不那么分明的效果。

通过用附图9所示的第二压敏电容器替换C₁，可以增加增益并且减少电路的偏移。将第二压敏电容器也设置为使得它的电容量在输出周期期间减少。它由第二信号V_B控制，其中该第二信号V_B相对于V_A反相，以致两个信号在输出节点的结合趋于抵消。如果假设压敏电容器C₁具有与C₂相同的形式，为了确保C₁的值在输出周期期间减小，C₁的连接必须与C₂的连接相反。与电路操作相关的波形如附图10所示。

在输入阶段期间，V_B是高电平V_B1，V_A是低电平V_A1。在输出阶段期间，使V_B切换到低电平V_B2，并且使V_A切换到高电平V_A2，因此C₁和C₂的电容量都减少。设置V_B1＝V_A2和V_A1＝V_B2是很容易的。尽管附图10中将电压V_A和V_B表示为是同步切换的，但是即使电压是在不同时间得到切换的，一旦两个电压均达到它们的最终值时，仍然会发生信号的放大。

在理想情况下，在V_A和V_B开始改变之前或开始改变的时候，S_IN应该是断开的，以便防止电荷通过开关流回到输入电压源。

电路的增益可以按照与上面相同的方式计算：

ΔQ₁＝-ΔQ₂

$-\underset{V_{B1}-V_{\mathrm{IN}}}{\overset{V_{B2}-V_{\mathrm{OUT}}}{\∫}}\mathrm{fc}\left(v\right)\mathrm{dV}=-\underset{V_{\mathrm{IN}}-V_{A1}}{\overset{V_{\mathrm{OUT}}-V_{A2}}{\∫}}\mathrm{fc}\left(v\right)\mathrm{dV}$

C_1min(V_T-(V_B2-V_OUT))+C_1max((V_B1-V_IN)-V_T)＝C_2min(V_T-(V_OUT-V_A2))+C_2max((V_IN-V_A1)-V_T)

V_OUT(C_1min+C_2min)＝V_IN(C_1max+C_2max)-C_1min(V_T-V_B2)-C_1max(V_B1-V_T)+C_2min(V_T+V_A2)-_2max(V_A1+V_T)

$\mathrm{Gain}=\frac{C_{1\max }+C_{2\max }}{C_{1\min }+C_{2\min }}$

$\mathrm{Offset}=\frac{-C_{1\min }(V_T-V_{B2})-C_{1\max }(V_{B1}-V_T)+C_{2\min }(V_T+V_{A2})-C_{2\max }(V_{A1}+V_T)}{(C_{1\min }+C_{2\min })}$

例如，如果C_1max＝C_2max＝0.1pF，C_1min＝C_2min＝0.02pF，则Gain＝5。

附图11中示出了针对V_A1＝V_B2＝0V、V_A2＝V_B1＝5V和V_T＝2V的情况V_OUT作为V_IN的函数变化的方式。该电路的操作由5个区域表征。在输入电压的某一范围内，电路的小信号增益等于计算值5，不过如果输入电压落到某一值之下或者增大到第二值之上，则增益下降为3。如果输入电压增大到更高的上限之上或者落到更低的下限之下，则增益减为1。电路增益改变数值的点同样与输入和输出周期期间压敏电容器两端的电压相关。与电容器两端的初始电压等于V_T(V_IN＝V_T+V_A1并且V_IN＝V_B1-V_T)的情形和电容器两端的最终电压等于V_T(V_OUT＝V_T+V_A2并且V_OUT＝V_B2-V_T)的时候相对应，有两个点与每一个电容器相关。如前所述，增益对于某一输入电压电平减少的原因在于，压敏电容器之一或二者的电容量在输入和输出周期之间不改变。为了获得最大增益，两个压敏电容器的电容量在输入和输出周期之间都必须减少。

电路的偏移电压取决于C₁和C₂的相对值以及信号V_A和V_B的电压电平。可能希望改变这些参数值，以便将偏移电压调节为适于给定电路条件的值。

如上所述，该电路的一种可行用途是用于集成到阵列装置的像素中。附图12中给出了附图9的放大电路使用多晶MOS晶体管的可行实现方式。

该电路是使用p-型和n-型多晶硅薄膜晶体管的组合形成的。用于在输入周期期间将输入电压施加到输出节点的开关是由晶体管T₁和T₂形成的CMOS传输门。这些晶体管的栅极是用互补时钟信号CLK和NCLK驱动的。尽管示出的是CMOS传输门，但是p-型或者n-型晶体管自身也可用于形成该开关。与输出节点相连的压敏电容器是用两个晶体管T₃和T₄形成的。所示出的是将每一个晶体管的源极和漏极连线连接到一起，尽管原理上只连接每一个晶体管的一端而另一端保持断开就足够了。所使用的是互补晶体管，不过作为可选的另一种方案，可以使用单晶体管形式，只要按照要求安排与栅极和源极和/或漏极的连接，以在输入和输出周期之间提供希望的电容量减少。在这一实例电路中，将T₃和T₄的栅极与两个开关控制信号CLK和NCLK连接。

当信号CLK为高并且信号NCLK为低时，由T₁和T₂形成的传输门导通，并且将输入电压传递到T₃和T₄形成的电容器。如果信号CLK和输入电压之间的电压差具有大于n-型晶体管阈值电压的正值，则T₃将具有相对大的电容量。同样地，如果信号NCLK和输入电压之间的电压差具有大于p-型晶体管阈值电压的负值，则T₄将具有相对大的电容量。当CLK和NCLK的电平切换成CLK为低并且NCLK为高时，传输门截止，使输出节点变为与输入电压隔离。同时，CLK和NCLK的变化电压电平改变了电容器T₃和T₄两端呈现的电压。当输入电压处于适当范围之内时，电容器两端的电压将会落到晶体管的阈值电压以下，因此将会使它们的电容量减少，对采样输入信号进行放大。

这一电路的仿真结果如附图13所示。附图13表示对于CLK和NCLK在0V和10V的电压之间切换的情况，输出电压和增益如何随输入电压改变。TFT的阈值电压近似为3V(n-型)和-3V(p-型)。T₁和T₂有5μm的宽度，T₃和T₄有40μm的宽度。所有TFT的长度是5μm。

在附图12中，TFT电容器是由控制输入开关晶体管的相同信号驱动的。也可以使用单独的控制信号，例如用来相对于TFT输入开关的切换延迟TFT电容器上的信号的切换。对于补偿切换信号的转换速率，这也是可取的。

在附图9的电路中，输入信号通过输入开关施加到两个电容器的一个端子上。有多种可以将信号电压施加到电容器结构的其它方式。例如，除将输入电压施加到两个压敏电容器共用的节点上之外，另外还可以将其施加到连接控制电压V_A的节点或者施加到连接控制电压V_B的节点，或者同时施加到上述两个节点上。重要的是，在输入周期期间输入电压必须影响至少一个(最好是所有)压敏电容器两端呈现的电压。

附图14表示与附图9相同的电容器结构，但具有附加开关，用来使得输入信号能够在输入期间施加到两个压敏电容器的相反端子上。实际上，附图14的附加开关已经存在于用于产生V_A和V_B的电路中，所以附图14的电路实际上并没有使所需的总体电路明显复杂化。同时，使两个电容器的公共节点充电到参考电位V_R。

因此，电路具有将参考电位V_R连接到公共电容器端子的第一输入开关S₁。第二和第三开关S₂和S₃将输入电压连接到每个电容器的相反端子，第四和第五开关S₄和S₅将控制电压V_A和V_B连接它们各自的电容器。

在下面的分析中，假设压敏电容器是由耗尽型n-型MOS器件形成的，该器件具有附图15所示形式的理想电容量比施加电压特性。

耗尽型MOS电容器的阈值电压是负值。当电容器两端的电压比该阈值电压更朝向负方向时，电容器具有低电容量值，当电容器两端的电压比该阈值电压更朝向正方向时，电容器具有较高电容量值。

在输入周期期间，开关S₁、S₂、S₃闭合，S₄、S₅断开。因此，参考电压存储在每个电容器的一侧，输入电压存储在每个电容器的另一侧。将参考电压V_R的值选择成，在输入周期期间，两个压敏电容器都具有较高的电容量值。当充电完成时，将S₁、S₂、S₃断开，并且然后在输出周期期间，将S₄、S₅闭合。这样，将控制电压施加到两个电容器的另一侧。

将V_A和V_B的电平选择成，在输出周期期间，压敏电容器两端的电压比阈值电压更朝向负方向，并且因此这些电容器的电容量值下降为更低的值。用附图16中的波形表示出了不同电压的相对电平。

附图17表示对于压敏电容器的电容量的较高值是0.1pF、电容量的较低值是0.02pF、V_A＝5V、V_B＝0V、V_R＝2.5V和V_T＝-1V的情况，电路的输出电压如何随输入电压改变。和在附图9的电路的情况下一样，最大增益具有为5的大小，但在这个经过改造的电路中，增益是负值并且该电路表现为反相放大器。这种反相的成因是施加输入信号的节点和取得输出信号的节点在电容器的相反两侧。

这个例子表明也可以将本发明的电路设计成获得负增益，但是也表明也可将控制电压施加到电容器的与输入电压相同的端子上。

在附图14的电路中，不必将输入信号施加到两个电容器上。如果仅将信号施加到一个电容器上，则增益将减少。

还可以通过取代参考电压施加一个第二输入信号使用这个电路对两个信号的差进行放大。于是输出电压代表经过放大的两个输入信号间的差。

在上述实例中，输入信号是通过输入开关施加到电容器结构的，因此在输入阶段期间，将输入电压连接到电容器结构，而在输出阶段期间，使输入电压与电容器结构隔离。

实际上，不必通过输入开关将输入信号施加到电容器上。

附图18表示将低阻抗输入电压源直接施加到两个压敏电容器的电路。

电容器C₁和C₂同样是并联的，每个电容器的一个端子连接到输入电压，但是在该电路中，没有输入开关。每个电容器的另一个端子通过各自的开关S₁和S₂与控制端子V_A和V_B相连接。上述这些另一个端子形成电路的输出端，这一点从下文中明显看出。在两个电容器的另一个端子之间设置了另一个开关S₃，并且在这个电路中，两个电容器之间的电荷重新分布是通过切换电容器之间的连接S₃实现的，而不是通过改变施加到它们的电压实现的。

电容器的阈值电压假设是+2V，与附图9的电路一样。

在输入周期期间，开关S₁和S₂闭合，从而将电容器C₁和C₂充电到取决于输入信号电压的电压。将V_A和V_B的值选择成，C₁和C₂两端的电压都大于阈值电压2V，并且因此两个电容器最初具有较高的电容量值。在输出周期期间，使S₁和S₂断开，随后使S₃闭合。电荷重新分布发生在C₁和C₂之间，导致电容器两端的电压小于阈值电压，因此造成C₁和C₂二者的电容量的减少。输出信号是从C₁和C₂的公共连线取得的，该公共连线在电容器连接输入信号的相反侧。

如上面的实例所示，这导致电路具有负增益。附图19中示出了该电路操作期间存在电压的相对电平。

附图20表示针对压敏电容器的电容量的较高值是0.1pF、电容量的较低值是0.02pF、V_A＝10V、V_B＝-5V和V_T＝2V的情况，该电路的输出电压如何随输入电压改变。该电路的最大增益是-4，并且这个增益值是在输入电压和输出电压的差值小于±V_T的极限点之间获得的。当电路在这些极限点之外操作时，C₁或者C₂的电容量在输出周期期间不改变为较低值。

本发明的电路在有源矩阵阵列装置领域中有多种可行的用途。现在将针对数字数据的电平平移给出第一个实例。

形成在有源矩阵LC显示器的基板上的薄膜晶体管电路在典型情况下使用比用于控制它们的传统晶体硅IC更高的电源电压进行工作。集成到显示器基板上的电平平移电路用于将来自控制IC的低压数字信号接口到较高电压的TFT电路。附图21表示一种可行的电平平移电路，该电路基于附图12的放大电路。

放大器的输出传递电路由时钟控制CMOS反相器50实现，该反相器50由晶体管T5到T8形成。电平平移电路的输出电压只在放大器的输出周期期间有效，将输入到时钟控制反相器的时钟信号设置成使得反相器的输出信号在这一输出周期期间是低阻抗的。

为了提供连续的数据输出，可能希望在电平平移电路的输出端实现一个闩锁电路电路，如附图22所示。

如果CLK和NCLK的电压电平相同(VDD和VSS)，电容器TFT T3和T4的阈值电压大小相等，T3和T4的宽度和长度相等，则电平平移装置的输入开关电压位于VDD和VSS的中间位置。在实践中，如果输入开关电压具有不同值(例如接近于VSS)则更方便。通过改变T3和T4的相对宽度和长度，能够实现输入开关电压的某些改变。但是，如果要求输入电压在非常接近VSS的电压下进行切换，则在放大器输入周期期间不会再将晶体管T4偏置到阈值电压之上。该问题可通过使用这样一个压敏电容器代替T4来避免：当该装置两端的电压低时，该压敏电容器具有相对高的电容量。例如，可以是一个NMOS耗尽模式晶体管。在n-型耗尽模式器件的情况下，晶体管的栅极可被连接到放大电路的输出节点，并且源极和漏极连接到信号NCLK。

本发明的电路可以用作电平平移电路，用于从外部提供显示区域(附图2中的34)的电压电平，例如用于产生行电压波形。本发明的电路也可以用在阵列装置的单个像素内。一个特殊应用是在AMLCD像素的刷新电路中。在LCD像素中使用刷新电路是一个相对新的开发成果，并且是由希望减少功率消耗而驱策的。

有源矩阵阵列装置，特别是有源矩阵阵列显示装置，在电池供电的电子装置比如计算机、移动电话、个人数字助手等等中得到了广泛的应用。在上述装置中，降低功率消耗是重要的问题。

有源矩阵阵列设备的功率消耗的一个重要部分起源于矩阵阵列单元的充电。尤其是在大面积有源矩阵阵列装置或者在具有大量行和列导线的有源矩阵阵列装置中，每个导线具有相对大的电容量，并且对矩阵阵列单元充电可消耗大量功率，因为在有源矩阵阵列装置的一个寻址周期内可能不得不对列导线电容充电和放电多次，以便在所有相关的矩阵阵列单元中相继存储合乎要求的电荷。

在存储在各个矩阵阵列单元中的数据值不改变并且是用相同数据值周期性地量写的情形下，这是尤其浪费的。例如，上述情况可能发生在要求有源矩阵阵列装置在很长时期内产生恒定输出的情形下，例如因为将有源矩阵阵列装置形成为其一部分的电子装置切换到备用状态。

为了实现这种功率消耗的节约，可以实现低功率操作模式，在这种模式下，显示器的每个像素作为自刷新动态存储单元工作。当不必随着每个场周期替换存储的电荷时，可以实现功耗降低。

附图23表示本发明人提出的像素结构。附图1的基本像素元件在附图23中用相同的附图标记重复标注。

每个像素具有刷新电路60，该刷新电路60与像素电极相连(LC单元18和存储电容器20的公共端子)。该刷新电路包括第二输入晶体管62，该第二输入晶体管62由刷新控制线64在其栅极加以控制。与第二输入晶体管62串联的是另一个晶体管68。因此晶体管62和68串联连接在列12和像素电极之间，并且它们能够通过与普通像素电路元件10，14不同的机制实现电压从列到像素电极的传递。

第二存储电容器66存储晶体管68的栅极电压，因此控制晶体管68的开关。电容器起到像素内存储单元的作用，并且像素电极电压可借助另一个晶体管70存储在该电容器66上。这样，电容器66可用于对像素电极电压进行采样，并且电容器电压也可用于控制电压从列12到像素电极的施加(通过控制晶体管68的开关)。读出控制线72控制晶体管70的栅极电压。

通过下面的介绍，电路的操作在更多细节上将更清楚。

在低功率模式开始之前，首先将数据用传统方式写入到像素中。但是，数据电压在典型情况下可能只取两个值之一，例如0V或者5V。这样，低功率模式提供丢失了灰度级信息的图像。

为了最小化显示器的功率消耗，希望在某一时间段期间暂停数据到像素的传递，以致避免了在每个频繁刷新周期中像素电路中的电容器之间的电荷传递。但是，随着时间的过去，施加到像素电容器的电荷将通过薄膜晶体管或者液晶渗漏。为了避免上述情况，必须对数据进行周期性刷新(但是少于正常刷新速率的频率)，并且这是使用集成在显示器的各个像素内的像素刷新电路60实现的。

虽然为了减少功率消耗，可以使用较低的刷新频率，但是即使刷新频率与正常寻址频率相同，仍然可以功率节约，因为可以同时刷新许多行像素。这减少了电压波形出现在显示器的列和公共电极上的频率，因此减少了功率消耗。

典型的刷新操作是以下述方式进行的。先前施加的数据电压(在上述实例中是0V或者5V)首先被临时存储在第二电容器66。这是通过使读出控制线72为高电压电平而导通晶体管70来实现的。电荷共享发生在三个电容器18、20和66之间。由于像素电容量(18和20)明显大于电容器66的电容量，结果得到的电容器66上的电压基本上等于数据电压电平。在该时刻，0V施加到列导线12。于是使晶体管70截止，并且将数据临时存储在电容器66上。

然后将像素电容充电到高数据电压电平5V，这是通过将该电压施加到列导线12上并且短暂导通晶体管14来实现的。

电路的操作是，通过使列电极12的电压为低数据电压电平并且使刷新线64为高电压电平，来导通晶体管62，使存储在电容器66上的数据反相并且将其返回到像素电容。

如果存储在电容器66上的数据电压为低，接近0V，则晶体管68截止，像素保持在高数据电平下，该高数据电平是存储在66上的数据的反相值。如果存储在66上的数据电压为高，接近5V，则晶体管68导通，像素电容放电到列导线12上的低数据电压电平，该低数据电压电平是存储在电容器66的数据的反相值。

本电路的操作基于公共电极驱动方案，因此公共电极22取决于施加到LC的驱动极性，在大约0V和大约5V之间切换。施加到像素的0V和5V的电压将会取决于驱动极性提供明的或者暗的输出。

因此，如果公共电极是大约5V(对LC负驱动)，则0V像素电压相应于暗像素(LC的高均方值电压)，5V像素电压相应于明像素(LC的低均方值电压)。如果公共电极是大约0V(对LC正驱动)，则5V像素电压相应于暗像素，0V像素电压相应于明像素。

公共电极上的电压切换定时对于刷新电路的操作来说是重要的。在刷新操作开始时，当将像素电压取样到电容器66上时，公共电极必须处于与对像素最后一次寻址或者刷新时相同的电压下。在取样完成之后并且在像素被充电到5V之前或者同时，必须将公共电极上的电压切换到其它电平。

晶体管68的栅极上的数据高电压电平和数据低电压电平的差值要足以在导通和不导通状态之间切换该器件，对于像素电路的操作来说是很重要的。如果晶体管68的阈值电压相对于栅极处的数据电压范围太大，则刷新操作将不能正确执行。当数据电压从像素电容传递到66时，电荷共享发生，上述电荷共享可以减少数据信号的幅度。

如果该信号幅度的减少太大，则信号可能变得不足以切换68，同时刷新操作也将失败。

因此，对晶体管68栅极处的数据信号提供某些放大是有利的，

因为这将增加电路对于电容量和TFT特性的变化的稳定性。通过用附图24示出的两个压敏电容器替换附图23的电容器66，上述放大方法可以很容易地施加到该像素电路。

如图所示，上述压敏电容器位于读出控制线72和刷新线64之间。上述两条线因此起到了电压源V_A和V_B的作用，例如如附图9所示。如上所述，这些线上的电压在刷新操作期间改变，这些改变可被用于在输出端(也就是晶体管68的栅极)提供希望的放大。

电容器可以以各种方式形成，但是便利的方法是使用栅极金属、栅极绝缘和半导体的无掺杂层或者轻掺杂层。例如，如果像素电路中使用的TFT是n-型多晶硅器件，则可以很方便地使用n-型TFT形成电容器，其中n-型TFT的源极和漏极端子连接到一起，如附图25所示。

在典型电路操作频率下，当栅极端子上相对于源极和漏极端子的电压小于晶体管的阈值电压时，n-型TFT的电容量具有低值，当栅极电压大于阈值电压时，n-型TFT的电容量具有较高值。附图25的晶体管80和82以下述方式连接：在读出期间，当数据电压从像素电容量传递给它们时，具有较高电容量；在刷新期间，当数据以反相形式返回到像素电容时，具有较低电容量。

80和82的电容量的改变是由读出和刷新控制信号所引起的晶体管两端的电压改变而造成。在读出期间，读出控制信号处于高电平，例如10V，刷新控制信号处于低电平，例如-7V。由于像素数据电压电平接近0V和5V，读出和刷新电极上的电压足以确保晶体管80和82二者在该期间均处于较高电容量状态。

在刷新周期期间，读出电极处于低电压-7V，刷新电极处于高电平10V。这导致80和82两端的电压降到它们的电容量降低的点之下，导致连接到晶体管68栅极的电路节点上的数据信号的放大。这一放大已借助对像素电路的特定实例进行电路仿真而进行了考察。在电容器66由两个具有固定值的电容器形成的情况下，在刷新期间的结尾，晶体管68栅极的数据电压电平是2.87V和-0.28V。对于附图24和25所示的电容器66由两个压敏电容器形成的电路，等效的数据电压电平是5.88V和-0.57V。这表示控制晶体管68的数据信号幅度增加2倍。

本发明带来的优点可以从多方面看出。这意味着像素电路在晶体管特性上容许更多的变化，与像素电路相关的电容量也容许更多的变化，或者提供一个减少提供到像素的数据电压幅度的机会，这可以导致操作功率的进一步减少，因为数据电压幅度在放大之前不必足够切换晶体管68。

上述方法也可被应用到多个包含存储设备的电路功能块，特别是动态存储单元的读出或者刷新，传感和成像设备，像素信号读出，电平平移电路，低电平模拟或者数字信号的放大。

多个具有不同放大响应的不同电路已示出。在每种情况下，电路具有一个电路增益不变的输入电压范围。因此电路具有一个至少0.5V的输入电压范围，并且最好是至少1V左右，在该范围内电路提供线性增益。但是电路在更宽的输入电压范围内操作。

本发明的放大电路的多个特定实现已经给出，但是可将本发明的电路用于其他应用中。

Claims (24)

1.一种放大电路，包括：

输入端(V_IN)，向该输入端提供输入电压；

电容器结构(42)；和

开关结构；

其中电容器结构包括第一电容器(C₂)和第二电容器(C₁)，所述第一电容器和第二电容器各自具有压敏电容量，

其中，该电路可以以两种模式操作，在第一模式下，将输入电压提供到至少第一电容器的一个端子，在第二模式下，改变第一和第二电容器的一个端子上的电压(V_A，V_B)，并且开关结构使得电荷在第一和第二电容器之间重新分配，以致于第一电容器两端的电压改变，从而减少第一电容器的电容量，输出电压取决于在第一电容器两端所获得的电压。

2.根据权利要求1的电路，其中开关结构包含输入开关(S_IN)，该输入开关用于有选择地将输入电压连接到电容器结构(42)，其中在第一模式下，输入开关将输入电压连接到电容器结构，在第二模式下，输入开关使输入电压与电容器结构隔离。

3.根据权利要求1或2的电路，其中第二电容器的一个端子上电压的改变导致电容量减少。

4.根据权利要求3的电路，其中在第二模式下，第一电容器(C₂)的一个端子上的电压(V_A)得到增加，并且第二电容器(C₁)的一个端子上的电压(V_B)得到降低。

5.根据权利要求4的电路，其中在第二模式下，第一电容器(C₂)的一个端子上的电压(V_A)从低于输入电压增加到高于输入电压，并且第二电容器(C₁)的一个端子上的电压(V_B)从高于输入电压降低到低于输入电压。

6.根据权利要求1或2的电路，其中开关结构包括用于有选择地将输入电压连接到电容器结构(42)的输入开关(S_IN)，并且输入开关是由第一电容器的一个端子上的电压控制的。

7.根据权利要求6的电路，其中输入开关包括第一晶体管(T1)，该第一晶体管具有与第一电容器的一个端子相连接的栅极。

8.根据权利要求7的电路，其中输入开关包括与第一晶体管(T1)并联的第二晶体管(T2)，并且使第二晶体管的栅极与第二电容器的一个端子相连接。

9.根据权利要求1的电路，其中开关结构包括：

第一开关或多个第一开关(S₂，S₃)，用于将输入电压连接到第一和第二电容器的一个端子；

第二开关(S₄，S₅)，用于将各个控制电压连接到第一和第二电容器的一个端子；和

输入开关(S₁)，用于将参考电压连接到第一和第二电容器的另一个端子。

10.根据权利要求9的电路，其中，在第一模式下，第一开关或多个第一开关(S₂，S₃)和输入开关(S₁)闭合，以致电容器两端的电压取决于输入电压(V_IN)，并且在第二模式下，第二开关(S₄，S₅)闭合，并且输出电压包括第一和第二电容器的另一个端子上的电压。

11.根据权利要求9或者10的电路，其中，第一电容器包括耗尽n-型MOS器件。

12.根据权利要求11的电路，其中，第一和第二电容器包括耗尽n-型MOS器件。

13.根据权利要求1的电路，其中，输入端与第一和第二电容器(C₂，C₁)的一个端子相连接，并且各个控制电压通过开关结构的各个控制开关(S₁，S₂)连接到第一和第二电容器的另一个端子。

14.根据权利要求13的电路，其中，开关结构进一步包括短路开关(S₃)，该短路开关连接在第一和第二电容器的另一个端子之间。

15.根据权利要求14的电路，其中，在第一模式下，控制开关(S₁，S₂)闭合，并且电容器两端的电压取决于输入电压(V_IN)，并且在第二模式下，短路开关(S₃)闭合，输出电压包括第一和第二电容器的另一个端子上的电压。

16.根据权利要求1或2的电路，其中，各个压敏电容器包括晶体管，该晶体管具有连接到一起的源极和漏极，并且其中所述一个端子由栅极形成，而所述另一个端子由相连接的源极和漏极形成。

17.根据权利要求16的电路，其中，各个压敏电容器的晶体管包括薄膜MOS晶体管。

18.一种有源矩阵装置，包括装置单元阵列(34)和用于产生用来控制装置单元的控制信号的电路(30，32)，此外还包括权利要求1或2所述的、用于在将控制信号提供到装置单元之前增加控制信号的电压电平的电路。

19.根据权利要求18的装置，其中，此外还包括处于放大电路输出端的闩锁电路。

20.一种有源矩阵显示装置，包括显示像素阵列，每个显示单元具有像素刷新电路，该像素刷新电路包括权利要求1或2所述的放大电路，用于放大刷新电路内控制晶体管(68)的栅极电压。

21.根据权利要求20的装置，其中，刷新电路包括读出电路和写电路(68)，上述读出电路用于在存储电容器结构(66)上存储显示像素电压，上述写电路用于取决于存储的显示像素电压向显示像素提供电压，其中写电路包括控制晶体管(68)，控制晶体管的栅极电压是由存储电容器结构(66)提供的，并且其中存储电容器结构包括放大电路的电容器结构。

22.一种包括装置单元阵列的有源矩阵阵列装置，该阵列中的各个装置单元配备有权利要求1或2所述的电路。

23.根据权利要求22的装置，其中，装置单元包括存储单元、图像传感像素或者显示像素。

24.一种放大信号的方法，包括：

向电容器结构提供输入信号，该电容器结构包括各自具有压敏电容量的第一电容器(C₂)和第二电容器(C₁)；

使电荷在第一和第二电容器(C₂，C₁)之间重新分配，以致第一电容器两端的电压得到改变，从而减少第一电容器和第二电容器的电容量；

提供一个输出电压，该输出电压取决于所获得的第一电容器两端的电压。

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