虚拟差动模拟前端电路以及图像处理装置的制作方法
专利名称：虚拟差动模拟前端电路以及图像处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示系统，尤其涉及一种使用于显示系统的图像处理装置， 尤其关于一种具有一虚拟差动模拟前端电路的图像处理装置。
背景技术：
许多计算机系统的显示卡(VGA card)只能输出模拟式的图像信号，因此 液晶显示器必须将模拟信号转换为数字信号后才能加以显示。液晶显示器使 用模拟前端电路(Analog Front End, AFE)来做信号转换的工作。模拟式的图像 信号由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种信号所组成，因此模拟前端电路包 括了三组电路来分别处理此三种信号。液晶显示控制器主要包含模拟前端电 路、数字缩放电路(scalar)及其他一些周边电路。随着芯片集成度的提高， 目前的趋势是将模拟前端电路和数字缩放电路及其他周边电路整合在同一 颗芯片(或IC)上。
图1所示为传统模拟前端电路的架构示意图。模拟前端电路100包含一 能隙电压参考电路(bandgap voltage reference) 140 、 一时钟产生器(clock generator)150、以及三个相同的转换电路110、 120、 130。每一转换电路又 包含一箝位器(clamper)(lll、 121、 131)、 一输入緩冲器(inputbuffer)(U2、 122、
132) 以及一模拟至数字转换器(analog to digital converter, ADC)(U3、 123、
133) 。以液晶显示控制器所用'的模拟前端电路100为例，即需要三个转换电 路110、 120、 130,用以将R、 G、 B三个图像模拟信号分别转换为Dl、 D2、 D3三个数字信号。图1的架构为单端信号输入，液晶显示控制器共需要PR、 PG、 PB三个引脚(pad)来分别接收R、 G、 B三个图像模拟信号。每一转换 电路先利用箝位器(lll、 121、 131)来作为信号的直流(DC)电平的校正，并利 用输入緩冲器(112、 122、 132)将信号緩冲之后，再馈入模拟至数字转换器 (113、 123、 133)。时钟产生器150接收水平同步(horizontal synchronization, HS)信号，或垂直同步(vertical synchronization, VS)信号，以提供一周期性的 时钟信号CLK给模拟至数字转换器(113、 123、 133)作为取样之用。能隙电压参考电路140则产生一参考电压Vref，以提供输入緩冲器(112、 122、 132) 用来调整增益(gain)与偏移电压(offset voltage)。值得注意的是，虽然能隙电 压参考电路140与时钟产生器150是所有模拟前端电路中必要的元件，因碍 于空间的限制，以下的图式中将不再显示。
图2显示一个传统图像处理装置的架构示意图。参考图2，图像处理装 置200包含一周边电路280与一模拟前端电路290,由于完整的图像由三个 模拟图像信号R、 G、 B所组成，因此周边电路280与模拟前端电路2卯中 便需要三个相同的传输路径与转换电路来处理三个图像模拟信号R、 G、 B。 显示卡270所输出的图像模拟信号(R、 G、 B )可利用电流源(Ivl、 Iv2、 Iv3) 等效，图像^^莫拟信号(R、 G、 B )经由缆线(cable)馈入周边电路280后，即传 送至模拟前端电路290以进行模拟数字转换工作，最终产生数字信号Dl、 D2、 D3。模拟前端电路290包含三个相同的转换电路210、 220、 230,以转 换电路210为例又包含一箝位器111、 一可变电流源Ip,、 一电阻R,3、 二个 输入緩沖器112、 112，以及一模拟至数字转换器113。可变电流源Ip,与电阻 R13串接所形成的参考电压V,en,由输入缓冲器112，输入并执行緩冲处理之 后，再传入模拟至数字转换器113。转换电路220、 230与转换电路210具有 相同结构与运作方式，不再说明。
在应用上，R、 G、 B图像模拟信号通常是单端的(如图1),而为了噪声 (noise)的考量，在液晶显示控制器的信号处理会采用差分(differential)信号， 故必须在液晶显示控制器内部将接收到的信号由单端转换成差分信号(如图 2)。然而，在单端转换成差分信号的过程中，会产生信号失真的问题，这是 因为接地电平(reference ground Ievel)的不同所导致的信号失真。由于显示卡 270参考的接地电平是周边电路280(或印刷电路板)的接地电平，和输入缓冲 器所参考的IC内部接地电平(internal IC ground)是不同的，因为有结合电感 (bonding inductance),所以会影响频率，这会使单端转换成差分信号的过程 中产生信号失真，而为人的肉眼所分辨出来。而信号失真的程度和周边电路 280的布线(layout)及IC内部的电源规划有关，如果布线时接地面(ground plane)或电源系统规划得较好的话(如4层版)，或者IC本身采用较多的电源 与接地引脚(如AD9887),便可以有较好的效果。在已知技术中，解决信号 失真的问题的第一个方法是将印刷电路板的GND和输入緩冲器所参考的IC 内部GND相连，如同图2的架构。因为IC内部的GND噪声较大，故三个
6模拟至数字转换器113、 123、 133的负端所需要的参考电压共用了 一个PD引 脚，并一起参考到外面印刷电路板上的GND,此种接地方式可降低噪声的 千扰。且此时液晶显示控制器的信号部分总共需要PR、 PG、 PB、 PD四个 引脚。此架构称为虛拟差动输入(pseudo differential input)架构。
解决信号失真问题的另 一 个方法是采用全差动输入(fully differential input)架构，如图3所示为另一个传统图像处理装置的架构示意图。图像处 理装置300包含一周边电路380与一全差动输入模拟前端电路390,而全差 动输入模拟前端电路390包含三个相同的转换电路310、 320、 330,每一转 换电路(310、 320、 330)又包含二个箝位器(如111、 lll，)、 二个输入緩冲器(如 112、 112，)与一模拟至数字转换器(如113)。采用全差动输入架构有许多好处， 除了可以解决前述失真问题外，周边电路380与全差动输入^t拟前端电路 390上的电路也较为对称，例如进入至模拟至数字转换器113二个输入端的 模拟图像信号R(以下称之为R+)与其相对应的一个接地电压(以下称之为R-) 都同样经过电容(C,、 C,)、箝位器(lll、 lll，)、输入緩冲器(112、 112，)的处 理。以此类推，模拟图像信号G+、 G-在进入至模拟至数字转换器123之前， 以及模拟图像信号B+、 B-在进入至模拟至数字转换器133之前，同样亦经 过上述电路的对称处理。然而，全差动输入架构的缺点为每一个转换电路 (310、 320、 330)需要多一个输入引脚(R-、 G-、 B-),及模拟前端电路可能会 更复杂(例如用来做偏移调整的数字至模拟转换器(DAC for offset adjust)电路 必须另外实现)。根据全差动输入架构，单一通道(channel)需多一个引脚，因 此R、 G、 B三个通道总共需要多三个引脚，这对于整合模拟前端电路与数 字缩放电路的液晶显示控制器不见得是允许的，因为这代表必须使用较多引 脚数的封装(成本高)、或必须牺牲其他的功能脚位(性能上的考量)。如图3 的液晶显示控制器的信号部分总共要R+、 R-、 G+、 G-、 B+、 B-六个引脚。
图4显示一个传统输入緩冲器的架构示意图。传统输入緩沖器412由一 电流源IB串接一个PMOS源级跟随器(source follower) Sp所组成。传统上， 模拟图像信号R、 G、 B的电压电平会参考到接地电平，故输入緩冲器412 必须有较低的输入电压范围，而PMOS源级跟随器正符合此特性。但是， PMOS晶体管的缺点为速度较NMOS晶体管慢，故在电路设计上而言，要 维持一样的性能，PMOS晶体管必须付出较NMOS晶体管更高的代价。
为了解决单端转双端造成信号失真问题、为了实现虚拟差动的模拟前端电路、为了增加输入緩冲器的品质特性以及为了减少元件数目与IC的引脚 数等问题，因此提出本发明。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的为提供一种虛拟差动模拟前端电路，以
解决单端转双端造成信号失真、元件数目以及IC的引引脚数过多的问题。
本发明的另一个目的为提供一种虛拟差动模拟前端电路，以增加输入緩 冲器的品质特性。
为达成上述目的，本发明的虛拟差动模拟前端电路用以接收至少一图像 模拟信号，并产生至少一数字信号处理。该虛拟差动模拟前端电路包含至少 一转换电路，每一转换电路包含一箝位器、 一输入緩冲器与一模拟至数字转 换器。箝位器接收前述图像模拟信号，并重建此图像模拟信号的直流电平以 产生一第一重建信号。输入緩冲器将第一重建信号緩沖之后输出一緩冲信 号。以及，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端，其中一端接收前 述緩冲信号，另一端接收一比较电压，每一模拟至数字转换器再将正、负输 入端的电压差转换成前述数字信号。其中，当转换电路的数目大于1时，每 一模拟至数字转换器均接收同 一 个比较电压。
本发明的再一个目的为提供一种图像处理装置，用以处理自一显示卡馈 入的至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号。该图像处理装置包含一 周边电路与前述虛拟差动模拟前端电路。周边电路电气连接前述显示卡，以 传输前述图像模拟信号，该周边电路设有一接地端，并与前述虛拟差动模拟 前端电路电气相连。
本发明特色在于每一模拟至数字转换器均接收同一个比较电压电路，以 形成虛拟差动输入架构的模拟前端电路。上述所谓虚拟差动模拟前端电路为 输入模拟至数字转换器正负端的电路架构是虛拟对称的，并非真正全差动输 入。本发明利用最少的元件数目与引引脚数目所形成的虚拟差动模拟前端电 路，来近似全差动输入模拟前端电路，以解决单端转双端造成信号失真问题， 同时解决全差动输入模拟前端电路的元件数目以及引引脚数过多的缺点。因
此，本发明不但因减少周边电路与模拟前端电路中的元件数目以及IC的引
引脚数，而降低模拟电路的耗电与面积，更因此架构而提升输入緩冲器的品 质特性，进而产生较佳的图像画质。
图1所示为传统模拟前端电路的架构示意图。
图2显示一个传统图像处理装置的架构示意图。
图3显示另一个传统图像处理装置的架构示意图。
图4显示一个传统输入緩冲器的架构示意图。
图5A为本发明虛拟差动模拟前端电路的架构示意图。
图5B为本发明图像处理装置的架构示意图。
图6为本发明的第一实施例的架构示意图。
图7为本发明的第二实施例的架构示意图。
图8为本发明的输入緩冲器的电路图。
图号说明
200、 300、 500、 600、 700图像处理装置
111、 121、 131、 111，、 121，、 131，箝位器
112、 122、 132、 112，、 122，、 132，输入緩沖器 412、 812输入緩沖器
113、 123、 133模拟至数字转换器 140能隙电压参考电路
150时钟产生器 270显示卡
280、 380、 580、 780周边电路
100、 290、 390模拟前端电路
590、 690、 790虛拟差动才莫拟前端电鴻，
110、 120、 130、 210、 220、 230转换电^各
310、 320、 330、 510、 520、 530转换电3各
620、 720转换电路
具体实施例方式
图5A为本发明虚拟差动模拟前端电路的架构示意图。参考图5A，本发 明的虛拟差动模拟前端电路590包含至少一转换电路(510、 520、 530)，用以 接收至少一图像模拟信号(A1、 A2、 A3),并产生至少一数字信号(D1、 D2、
9D3)。每一转换电路包含一箝位器(lll、 121、 131)、 一输入緩冲器(112、 122、 132)与一模拟至数字转换器(113、 123、 133)。以转换电路510为例，箝位器 lll接收图像模拟信号Al并重建此图像模拟信号Al的直流电平后产生一重 建信号El。重建信号El输入緩冲器112重建信号之后输出一緩冲信号Bl, 模拟至数字转换器113包含正、负两个输入端，其中一端接收前述緩冲信号 Bl，另一端接收一比较电压Vcmp,每一模拟至数字转换器再将正、负输入端 的电压差转换成前述数字信号Dl。须注意者，其他二者转换电路520、 530 的结构及运作方式与转换电路510相同，不再赘述。每一模拟至数字转换器 均接收同一个比较电压Vcmp。
转换电路的数目与虛拟差动模拟前端电路590所接收的图像模拟信号种 类有关系，例如当虚拟差动模拟前端电路590被设置在一液晶显示控制器 之中时，电路5卯必需包含三个转换电路以处理R、 G、 B三个图像模拟信 号；当虛拟差动模拟前端电路590被设置在一视讯解码器之中时，若接收的 信号种类是色差端子信号时，电路590必需包含三个转换电路以处理Y、 Pr、 Pb三个图像模拟信号；若接收的信号种类是S端子信号时，电路590必需 包含二个转换电路以处理Y、 C二个亮度色彩信号；若接收的信号种类是 AV端子信号时，电路590只需包含一个转换电路以处理CVBS信号。为简 化说明，在全部的说明书及所有的图式中，信号以A1、 A2及A3来表示 Al表示X/C/Pr/R、 A2表示X/X/Pb/B、 A3表示CVBS/Y/Y/G,其中X是表 示「没有信号」的意思。
图5B为本发明图像处理装置的架构示意图。参考图5B,图像处理装置 500接收并处理自 一显示卡270馈入的一图像模拟信号，该图像模拟信号由 至少一图像模拟信号所组成(在此为Al、 A2、 A3三种，但本发明的范围不 限于此图像)，并产生至少一数字信号(D1、 D2、 D3)。图像处理装置500包 含一周边电路580与虛拟差动模拟前端电路590。周边电路580电气连接 (Coupled To)显示卡270以传输图像模拟信号(A1、 A2、 A3),周边电路580 设有一接地端GND,虛拟差动模拟前端电路590与周边电路580电气相连。 在本图架构下，虛拟差动模拟前端电路590的信号部分只需要Al + 、 A2+、 A3+共三个引脚。
图6为本发明的第一实施例的架构示意图。参考图6，本发明的图像处 理装置600,包含一周边电路280与虛拟差动模拟前端电路690，以处理自—显示卡270馈入的图像模拟信号Al、 A2、 A3,并产生数字信号D1、 D2、
D3。虛拟差动模拟前端电路690包含三个转换电路510、 620、 530,转换电 路620包含一箝位器121、 一输入緩沖器122、 一可变电流源Ic、 一电阻Rc 与一模拟至数字转换器123。转换电路620所包舍的元件与转换电路520大 致相同，差别在于比较电压Vcmp利用可变电流源Ic与电阻Rc串接所形成， 再同时输入至模拟至数字转换器113、 123、 133。因此，三个模拟至数字转 换器113、 123、 133的负端皆共用一个由可变电流源1。与电阻Rc所组成的 电路，所以具有较低的面积与耗电。同时，本架构亦具有良好的品质，因为 三个模拟至数字转换器113、 123、 133的负端电压均参考到周边电路280的 GND,且这一个额外的引脚A2-可以由Al、 A2、 A3三个通道所共用。在本 实施例中，虛拟差动模拟前端电路690的信号部分总共要Al+、 A2+、 A3+、 A2-四个引脚。再者，在本实施例中，利用可变电流源Ic与电阻Rc串接所形 成的比较电压Vemp在输入至模拟至数字转换器(113、 123、 133)之前，可以 再经过一输入緩沖器的緩沖处理，才传送到模拟至数字转换器(113、 123、 133)(图式未显示)，以增加其驱动(driving)能力。另一方面，在实际应用时，
可变电流源Ie与电阻Re的设置位置并不局限于转换电路620，亦可设置于转
换电路510或530中。
在此请注意，在第一实施例中，三个模拟至数字转换器113、 123、 133 的负端电压可参考IC内部的GND,并由A1、 A2、 A3三个通道所共用(图 未显示)，取代如上所述多拉一个引脚至外部GND,但亦可产生良好的品质， 因为在虚拟差动电路的架构之下，正负端电压的共模噪声是可以被消除的， 并可节省一个引脚。
图7为本发明的第二实施例的架构示意图。参考图7，本发明的图像处 理装置700,包含一周边电路780与虚拟差动模拟前端电路790,以处理自 一显示卡270馈入的图像模拟信号Al、 A2、 A3，并产生数字信号D1、 D2、 D3。周边电路780的A2通道设有两个电容q、 C2,虚拟差动模拟前端电路 790包含三个转换电路510、 720、 530,转换电路720包含二个箝位器121 、 121'、 二个输入緩冲器122、 122'与一模拟至数字转换器123。箝位器121' 接收周边电路780的一个接地电压GND,重建直流电平后，产生重建信号《， 输入緩冲器112，将重建信号￡2緩沖之后产生比较电压Vemp。本实施例具有最 近似全差动输入架构的品质，因为模拟至数字转换器123的负端电压和正端
ii电压具有最对称的电路架构，图像模拟信号A2(以下称之为A2+)与其相对应 的一个接地电压GND(以下称之为A2-)都同时经过电容q、 C2、箝位器121、 121，、输入緩沖器122、 122，的处理。当然，第二实施例的架构也具有本发 明较低的面积与耗电的特色，因为三个模拟至数字转换器113、 123、 133的 负端皆共用一个由电容《、箝位器121，与输入緩冲器122，所组成的电路。 在本实施例中，虛拟差动模拟前端电路790的信号部分总共要Al + 、 A2+、 A3+、 A2-四个引脚。在实际应用上，电容《、箝位器121，与输入緩冲器122， 的设置位置并不局限于周边电路780的A2通道与转换电路720,亦可设置 于周边电路780的Al通道与转换电路510中，或周边电路780的A3通道 与转换电路530中。
在此请注意，在第二实施例中，三个模拟至数字转换器113、 123、 133 的负端电压可参考IC内部的GND，并由Al、 A2、 A3三个通道所共用(图 未显示)，取代如上所述多拉一个引脚至外部GND,但亦可产生良好的品质， 因为在虛拟差动电路的架构之下，正负端电压的共模噪声是可以被消除的， 并可节省一个引脚。
图8为本发明的输入緩沖器的电路图。有鉴于本发明虛拟差动模拟前端 电路的结构特色，在正负端电压差值不变的前提之下，模拟至数字转换器 113、 123、 133正负端电压电平皆可同时往Vdd的方向提升。拉高电平后的 模拟至数字转换器113、 123、 133正负端电压符合了 NMOS源级跟随器需 要较高输入电压的条件，因此，可利用一个NMOS源级跟随器SN串接一电 流源lB来组成输入緩沖器812。所以，改用NMOS源级跟随器S^后的输入 緩冲器812获得了更好的性能和较低的功耗。
以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱 离本发明的要旨，本领域技术人员可进行各种变形或变更。
权利要求
1. 一种虚拟差动模拟前端电路，用以接收至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号，该虚拟差动模拟前端电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一第一箝位器，用来接收该图像模拟信号，并重建该图像模拟信号的直流电平，以产生一第一重建信号；一第一输入缓冲器，用来缓冲该第一重建信号以产生一缓冲信号；以及一模拟至数字转换器，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端，其中一端接收该缓冲信号，另一端接收一比较电压，且每一模拟至数字转换器将正、负输入端的电压差转换成该数字信号；其中，当该转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同一个该比较电压。
2. 如权利要求1所述的虚拟差动模拟前端电路，其中该第一输入緩沖器 包含一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第一重建信号。
3. 如权利要求1所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该至少一转换电路 中的一个转换电路更包含一第二箝位器，接收输入至该转换电路的该图像模拟信号所相对应的一 个接地电压后，并重建该接地电压的直流电平，以产生一第二重建信号；以 及一第二输入緩沖器，用来緩冲该第二重建信号以产生该比较电压。
4. 如权利要求3所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该第二输入緩冲器 包含一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第二重建信号。
5. 如权利要求1所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该至少一转换电路 中的一个转换电路更包含一可变电流源， 一端连接至一电压源；以及一电阻，其一端与该可变电流源的另一端串接形成一输入节点，该输入节点产生该比较电压，该电阻的另 一端连接至该图像;漢拟信号所相对应的一个接地电压。
6. —种图像处理装置，用以处理自 一显示卡馈入的至少一图像模拟信号， 并产生至少一数字信号，该图像处理装置包含一周边电路，被电气连接该显示卡，以传输该图像模拟信号，该周边电 路设有一接地端；以及一虛拟差动模拟前端电路，电气连接该周边电路，该虛拟差动模拟前端 电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一第一箝位器，接收该图像模拟信号，并重建该图像模拟信号的直流电 平，产生一第一重建信号；一第一输入緩冲器，将该第一重建信号緩冲之后产生一緩沖信号；以及一模拟至数字转换器，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端， 其中一端接收该緩冲信号，另一端接收一比较电压，且每一模拟至数字转换 器将正、负输入端的电压差转换成该数字信号；其中，当该转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同 一个该比4交电压。
7. 如权利要求6所述的图像处理装置，其中该第一输入緩冲器包含 一可变电流源,其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连4妾至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第一重建信号。
8. 如权利要求6所述的图像处理装置，其中该至少一转换电路中的一个 转换电路更包含一第二箝位器，连接至该周边电路的该接地端，以产生一第二重建信 号；以及一第二输入緩冲器，将该第二重建信号緩冲之后产生该比较电压。
9. 如权利要求8所述的图像处理装置，其中该第二输入緩冲器包含 一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第二重建信号。
10.如权利要求6所迷的图像处理装置，其中该至少一转换电路中的一个转换电路更包含一可变电流源， 一端连接至一电压源；以及一电阻，其一端与该可变电流源的另 一端串接形成一输入节点，该输入 节点产生该比较电压，该电阻的另 一端连接至该周边电路的该接地端。
全文摘要
本发明提供一种图像处理装置，该图像处理装置包含一虚拟差动模拟前端电路，用以接收至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号。该虚拟差动模拟前端电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一箝位器、一输入缓冲器与一模拟至数字转换器。其中，当转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同一个比较电压。
文档编号G09G3/36GK101452678SQ200710196248
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者蔡瑞原 申请人:瑞昱半导体股份有限公司
技术领域：
本发明涉及显示系统，尤其涉及一种使用于显示系统的图像处理装置， 尤其关于一种具有一虚拟差动模拟前端电路的图像处理装置。
背景技术：
许多计算机系统的显示卡(VGA card)只能输出模拟式的图像信号，因此 液晶显示器必须将模拟信号转换为数字信号后才能加以显示。液晶显示器使 用模拟前端电路(Analog Front End, AFE)来做信号转换的工作。模拟式的图像 信号由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种信号所组成，因此模拟前端电路包 括了三组电路来分别处理此三种信号。液晶显示控制器主要包含模拟前端电 路、数字缩放电路(scalar)及其他一些周边电路。随着芯片集成度的提高， 目前的趋势是将模拟前端电路和数字缩放电路及其他周边电路整合在同一 颗芯片(或IC)上。
图1所示为传统模拟前端电路的架构示意图。模拟前端电路100包含一 能隙电压参考电路(bandgap voltage reference) 140 、 一时钟产生器(clock generator)150、以及三个相同的转换电路110、 120、 130。每一转换电路又 包含一箝位器(clamper)(lll、 121、 131)、 一输入緩冲器(inputbuffer)(U2、 122、
132) 以及一模拟至数字转换器(analog to digital converter, ADC)(U3、 123、
133) 。以液晶显示控制器所用'的模拟前端电路100为例，即需要三个转换电 路110、 120、 130,用以将R、 G、 B三个图像模拟信号分别转换为Dl、 D2、 D3三个数字信号。图1的架构为单端信号输入，液晶显示控制器共需要PR、 PG、 PB三个引脚(pad)来分别接收R、 G、 B三个图像模拟信号。每一转换 电路先利用箝位器(lll、 121、 131)来作为信号的直流(DC)电平的校正，并利 用输入緩冲器(112、 122、 132)将信号緩冲之后，再馈入模拟至数字转换器 (113、 123、 133)。时钟产生器150接收水平同步(horizontal synchronization, HS)信号，或垂直同步(vertical synchronization, VS)信号，以提供一周期性的 时钟信号CLK给模拟至数字转换器(113、 123、 133)作为取样之用。能隙电压参考电路140则产生一参考电压Vref，以提供输入緩冲器(112、 122、 132) 用来调整增益(gain)与偏移电压(offset voltage)。值得注意的是，虽然能隙电 压参考电路140与时钟产生器150是所有模拟前端电路中必要的元件，因碍 于空间的限制，以下的图式中将不再显示。
图2显示一个传统图像处理装置的架构示意图。参考图2，图像处理装 置200包含一周边电路280与一模拟前端电路290,由于完整的图像由三个 模拟图像信号R、 G、 B所组成，因此周边电路280与模拟前端电路2卯中 便需要三个相同的传输路径与转换电路来处理三个图像模拟信号R、 G、 B。 显示卡270所输出的图像模拟信号(R、 G、 B )可利用电流源(Ivl、 Iv2、 Iv3) 等效，图像^^莫拟信号(R、 G、 B )经由缆线(cable)馈入周边电路280后，即传 送至模拟前端电路290以进行模拟数字转换工作，最终产生数字信号Dl、 D2、 D3。模拟前端电路290包含三个相同的转换电路210、 220、 230,以转 换电路210为例又包含一箝位器111、 一可变电流源Ip,、 一电阻R,3、 二个 输入緩沖器112、 112，以及一模拟至数字转换器113。可变电流源Ip,与电阻 R13串接所形成的参考电压V,en,由输入缓冲器112，输入并执行緩冲处理之 后，再传入模拟至数字转换器113。转换电路220、 230与转换电路210具有 相同结构与运作方式，不再说明。
在应用上，R、 G、 B图像模拟信号通常是单端的(如图1),而为了噪声 (noise)的考量，在液晶显示控制器的信号处理会采用差分(differential)信号， 故必须在液晶显示控制器内部将接收到的信号由单端转换成差分信号(如图 2)。然而，在单端转换成差分信号的过程中，会产生信号失真的问题，这是 因为接地电平(reference ground Ievel)的不同所导致的信号失真。由于显示卡 270参考的接地电平是周边电路280(或印刷电路板)的接地电平，和输入缓冲 器所参考的IC内部接地电平(internal IC ground)是不同的，因为有结合电感 (bonding inductance),所以会影响频率，这会使单端转换成差分信号的过程 中产生信号失真，而为人的肉眼所分辨出来。而信号失真的程度和周边电路 280的布线(layout)及IC内部的电源规划有关，如果布线时接地面(ground plane)或电源系统规划得较好的话(如4层版)，或者IC本身采用较多的电源 与接地引脚(如AD9887),便可以有较好的效果。在已知技术中，解决信号 失真的问题的第一个方法是将印刷电路板的GND和输入緩冲器所参考的IC 内部GND相连，如同图2的架构。因为IC内部的GND噪声较大，故三个
6模拟至数字转换器113、 123、 133的负端所需要的参考电压共用了 一个PD引 脚，并一起参考到外面印刷电路板上的GND,此种接地方式可降低噪声的 千扰。且此时液晶显示控制器的信号部分总共需要PR、 PG、 PB、 PD四个 引脚。此架构称为虛拟差动输入(pseudo differential input)架构。
解决信号失真问题的另 一 个方法是采用全差动输入(fully differential input)架构，如图3所示为另一个传统图像处理装置的架构示意图。图像处 理装置300包含一周边电路380与一全差动输入模拟前端电路390,而全差 动输入模拟前端电路390包含三个相同的转换电路310、 320、 330,每一转 换电路(310、 320、 330)又包含二个箝位器(如111、 lll，)、 二个输入緩冲器(如 112、 112，)与一模拟至数字转换器(如113)。采用全差动输入架构有许多好处， 除了可以解决前述失真问题外，周边电路380与全差动输入^t拟前端电路 390上的电路也较为对称，例如进入至模拟至数字转换器113二个输入端的 模拟图像信号R(以下称之为R+)与其相对应的一个接地电压(以下称之为R-) 都同样经过电容(C,、 C,)、箝位器(lll、 lll，)、输入緩冲器(112、 112，)的处 理。以此类推，模拟图像信号G+、 G-在进入至模拟至数字转换器123之前， 以及模拟图像信号B+、 B-在进入至模拟至数字转换器133之前，同样亦经 过上述电路的对称处理。然而，全差动输入架构的缺点为每一个转换电路 (310、 320、 330)需要多一个输入引脚(R-、 G-、 B-),及模拟前端电路可能会 更复杂(例如用来做偏移调整的数字至模拟转换器(DAC for offset adjust)电路 必须另外实现)。根据全差动输入架构，单一通道(channel)需多一个引脚，因 此R、 G、 B三个通道总共需要多三个引脚，这对于整合模拟前端电路与数 字缩放电路的液晶显示控制器不见得是允许的，因为这代表必须使用较多引 脚数的封装(成本高)、或必须牺牲其他的功能脚位(性能上的考量)。如图3 的液晶显示控制器的信号部分总共要R+、 R-、 G+、 G-、 B+、 B-六个引脚。
图4显示一个传统输入緩冲器的架构示意图。传统输入緩沖器412由一 电流源IB串接一个PMOS源级跟随器(source follower) Sp所组成。传统上， 模拟图像信号R、 G、 B的电压电平会参考到接地电平，故输入緩冲器412 必须有较低的输入电压范围，而PMOS源级跟随器正符合此特性。但是， PMOS晶体管的缺点为速度较NMOS晶体管慢，故在电路设计上而言，要 维持一样的性能，PMOS晶体管必须付出较NMOS晶体管更高的代价。
为了解决单端转双端造成信号失真问题、为了实现虚拟差动的模拟前端电路、为了增加输入緩冲器的品质特性以及为了减少元件数目与IC的引脚 数等问题，因此提出本发明。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的为提供一种虛拟差动模拟前端电路，以
解决单端转双端造成信号失真、元件数目以及IC的引引脚数过多的问题。
本发明的另一个目的为提供一种虛拟差动模拟前端电路，以增加输入緩 冲器的品质特性。
为达成上述目的，本发明的虛拟差动模拟前端电路用以接收至少一图像 模拟信号，并产生至少一数字信号处理。该虛拟差动模拟前端电路包含至少 一转换电路，每一转换电路包含一箝位器、 一输入緩冲器与一模拟至数字转 换器。箝位器接收前述图像模拟信号，并重建此图像模拟信号的直流电平以 产生一第一重建信号。输入緩冲器将第一重建信号緩沖之后输出一緩冲信 号。以及，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端，其中一端接收前 述緩冲信号，另一端接收一比较电压，每一模拟至数字转换器再将正、负输 入端的电压差转换成前述数字信号。其中，当转换电路的数目大于1时，每 一模拟至数字转换器均接收同 一 个比较电压。
本发明的再一个目的为提供一种图像处理装置，用以处理自一显示卡馈 入的至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号。该图像处理装置包含一 周边电路与前述虛拟差动模拟前端电路。周边电路电气连接前述显示卡，以 传输前述图像模拟信号，该周边电路设有一接地端，并与前述虛拟差动模拟 前端电路电气相连。
本发明特色在于每一模拟至数字转换器均接收同一个比较电压电路，以 形成虛拟差动输入架构的模拟前端电路。上述所谓虚拟差动模拟前端电路为 输入模拟至数字转换器正负端的电路架构是虛拟对称的，并非真正全差动输 入。本发明利用最少的元件数目与引引脚数目所形成的虚拟差动模拟前端电 路，来近似全差动输入模拟前端电路，以解决单端转双端造成信号失真问题， 同时解决全差动输入模拟前端电路的元件数目以及引引脚数过多的缺点。因
此，本发明不但因减少周边电路与模拟前端电路中的元件数目以及IC的引
引脚数，而降低模拟电路的耗电与面积，更因此架构而提升输入緩冲器的品 质特性，进而产生较佳的图像画质。
图1所示为传统模拟前端电路的架构示意图。
图2显示一个传统图像处理装置的架构示意图。
图3显示另一个传统图像处理装置的架构示意图。
图4显示一个传统输入緩冲器的架构示意图。
图5A为本发明虛拟差动模拟前端电路的架构示意图。
图5B为本发明图像处理装置的架构示意图。
图6为本发明的第一实施例的架构示意图。
图7为本发明的第二实施例的架构示意图。
图8为本发明的输入緩冲器的电路图。
图号说明
200、 300、 500、 600、 700图像处理装置
111、 121、 131、 111，、 121，、 131，箝位器
112、 122、 132、 112，、 122，、 132，输入緩沖器 412、 812输入緩沖器
113、 123、 133模拟至数字转换器 140能隙电压参考电路
150时钟产生器 270显示卡
280、 380、 580、 780周边电路
100、 290、 390模拟前端电路
590、 690、 790虛拟差动才莫拟前端电鴻，
110、 120、 130、 210、 220、 230转换电^各
310、 320、 330、 510、 520、 530转换电3各
620、 720转换电路
具体实施例方式
图5A为本发明虚拟差动模拟前端电路的架构示意图。参考图5A，本发 明的虛拟差动模拟前端电路590包含至少一转换电路(510、 520、 530)，用以 接收至少一图像模拟信号(A1、 A2、 A3),并产生至少一数字信号(D1、 D2、
9D3)。每一转换电路包含一箝位器(lll、 121、 131)、 一输入緩冲器(112、 122、 132)与一模拟至数字转换器(113、 123、 133)。以转换电路510为例，箝位器 lll接收图像模拟信号Al并重建此图像模拟信号Al的直流电平后产生一重 建信号El。重建信号El输入緩冲器112重建信号之后输出一緩冲信号Bl, 模拟至数字转换器113包含正、负两个输入端，其中一端接收前述緩冲信号 Bl，另一端接收一比较电压Vcmp,每一模拟至数字转换器再将正、负输入端 的电压差转换成前述数字信号Dl。须注意者，其他二者转换电路520、 530 的结构及运作方式与转换电路510相同，不再赘述。每一模拟至数字转换器 均接收同一个比较电压Vcmp。
转换电路的数目与虛拟差动模拟前端电路590所接收的图像模拟信号种 类有关系，例如当虚拟差动模拟前端电路590被设置在一液晶显示控制器 之中时，电路5卯必需包含三个转换电路以处理R、 G、 B三个图像模拟信 号；当虛拟差动模拟前端电路590被设置在一视讯解码器之中时，若接收的 信号种类是色差端子信号时，电路590必需包含三个转换电路以处理Y、 Pr、 Pb三个图像模拟信号；若接收的信号种类是S端子信号时，电路590必需 包含二个转换电路以处理Y、 C二个亮度色彩信号；若接收的信号种类是 AV端子信号时，电路590只需包含一个转换电路以处理CVBS信号。为简 化说明，在全部的说明书及所有的图式中，信号以A1、 A2及A3来表示 Al表示X/C/Pr/R、 A2表示X/X/Pb/B、 A3表示CVBS/Y/Y/G,其中X是表 示「没有信号」的意思。
图5B为本发明图像处理装置的架构示意图。参考图5B,图像处理装置 500接收并处理自 一显示卡270馈入的一图像模拟信号，该图像模拟信号由 至少一图像模拟信号所组成(在此为Al、 A2、 A3三种，但本发明的范围不 限于此图像)，并产生至少一数字信号(D1、 D2、 D3)。图像处理装置500包 含一周边电路580与虛拟差动模拟前端电路590。周边电路580电气连接 (Coupled To)显示卡270以传输图像模拟信号(A1、 A2、 A3),周边电路580 设有一接地端GND,虛拟差动模拟前端电路590与周边电路580电气相连。 在本图架构下，虛拟差动模拟前端电路590的信号部分只需要Al + 、 A2+、 A3+共三个引脚。
图6为本发明的第一实施例的架构示意图。参考图6，本发明的图像处 理装置600,包含一周边电路280与虛拟差动模拟前端电路690，以处理自—显示卡270馈入的图像模拟信号Al、 A2、 A3,并产生数字信号D1、 D2、
D3。虛拟差动模拟前端电路690包含三个转换电路510、 620、 530,转换电 路620包含一箝位器121、 一输入緩沖器122、 一可变电流源Ic、 一电阻Rc 与一模拟至数字转换器123。转换电路620所包舍的元件与转换电路520大 致相同，差别在于比较电压Vcmp利用可变电流源Ic与电阻Rc串接所形成， 再同时输入至模拟至数字转换器113、 123、 133。因此，三个模拟至数字转 换器113、 123、 133的负端皆共用一个由可变电流源1。与电阻Rc所组成的 电路，所以具有较低的面积与耗电。同时，本架构亦具有良好的品质，因为 三个模拟至数字转换器113、 123、 133的负端电压均参考到周边电路280的 GND,且这一个额外的引脚A2-可以由Al、 A2、 A3三个通道所共用。在本 实施例中，虛拟差动模拟前端电路690的信号部分总共要Al+、 A2+、 A3+、 A2-四个引脚。再者，在本实施例中，利用可变电流源Ic与电阻Rc串接所形 成的比较电压Vemp在输入至模拟至数字转换器(113、 123、 133)之前，可以 再经过一输入緩沖器的緩沖处理，才传送到模拟至数字转换器(113、 123、 133)(图式未显示)，以增加其驱动(driving)能力。另一方面，在实际应用时，
可变电流源Ie与电阻Re的设置位置并不局限于转换电路620，亦可设置于转
换电路510或530中。
在此请注意，在第一实施例中，三个模拟至数字转换器113、 123、 133 的负端电压可参考IC内部的GND,并由A1、 A2、 A3三个通道所共用(图 未显示)，取代如上所述多拉一个引脚至外部GND,但亦可产生良好的品质， 因为在虚拟差动电路的架构之下，正负端电压的共模噪声是可以被消除的， 并可节省一个引脚。
图7为本发明的第二实施例的架构示意图。参考图7，本发明的图像处 理装置700,包含一周边电路780与虚拟差动模拟前端电路790,以处理自 一显示卡270馈入的图像模拟信号Al、 A2、 A3，并产生数字信号D1、 D2、 D3。周边电路780的A2通道设有两个电容q、 C2,虚拟差动模拟前端电路 790包含三个转换电路510、 720、 530,转换电路720包含二个箝位器121 、 121'、 二个输入緩冲器122、 122'与一模拟至数字转换器123。箝位器121' 接收周边电路780的一个接地电压GND,重建直流电平后，产生重建信号《， 输入緩冲器112，将重建信号￡2緩沖之后产生比较电压Vemp。本实施例具有最 近似全差动输入架构的品质，因为模拟至数字转换器123的负端电压和正端
ii电压具有最对称的电路架构，图像模拟信号A2(以下称之为A2+)与其相对应 的一个接地电压GND(以下称之为A2-)都同时经过电容q、 C2、箝位器121、 121，、输入緩沖器122、 122，的处理。当然，第二实施例的架构也具有本发 明较低的面积与耗电的特色，因为三个模拟至数字转换器113、 123、 133的 负端皆共用一个由电容《、箝位器121，与输入緩冲器122，所组成的电路。 在本实施例中，虛拟差动模拟前端电路790的信号部分总共要Al + 、 A2+、 A3+、 A2-四个引脚。在实际应用上，电容《、箝位器121，与输入緩冲器122， 的设置位置并不局限于周边电路780的A2通道与转换电路720,亦可设置 于周边电路780的Al通道与转换电路510中，或周边电路780的A3通道 与转换电路530中。
在此请注意，在第二实施例中，三个模拟至数字转换器113、 123、 133 的负端电压可参考IC内部的GND，并由Al、 A2、 A3三个通道所共用(图 未显示)，取代如上所述多拉一个引脚至外部GND,但亦可产生良好的品质， 因为在虛拟差动电路的架构之下，正负端电压的共模噪声是可以被消除的， 并可节省一个引脚。
图8为本发明的输入緩沖器的电路图。有鉴于本发明虛拟差动模拟前端 电路的结构特色，在正负端电压差值不变的前提之下，模拟至数字转换器 113、 123、 133正负端电压电平皆可同时往Vdd的方向提升。拉高电平后的 模拟至数字转换器113、 123、 133正负端电压符合了 NMOS源级跟随器需 要较高输入电压的条件，因此，可利用一个NMOS源级跟随器SN串接一电 流源lB来组成输入緩沖器812。所以，改用NMOS源级跟随器S^后的输入 緩冲器812获得了更好的性能和较低的功耗。
以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱 离本发明的要旨，本领域技术人员可进行各种变形或变更。
权利要求
1. 一种虚拟差动模拟前端电路，用以接收至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号，该虚拟差动模拟前端电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一第一箝位器，用来接收该图像模拟信号，并重建该图像模拟信号的直流电平，以产生一第一重建信号；一第一输入缓冲器，用来缓冲该第一重建信号以产生一缓冲信号；以及一模拟至数字转换器，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端，其中一端接收该缓冲信号，另一端接收一比较电压，且每一模拟至数字转换器将正、负输入端的电压差转换成该数字信号；其中，当该转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同一个该比较电压。
2. 如权利要求1所述的虚拟差动模拟前端电路，其中该第一输入緩沖器 包含一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第一重建信号。
3. 如权利要求1所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该至少一转换电路 中的一个转换电路更包含一第二箝位器，接收输入至该转换电路的该图像模拟信号所相对应的一 个接地电压后，并重建该接地电压的直流电平，以产生一第二重建信号；以 及一第二输入緩沖器，用来緩冲该第二重建信号以产生该比较电压。
4. 如权利要求3所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该第二输入緩冲器 包含一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第二重建信号。
5. 如权利要求1所述的虛拟差动模拟前端电路，其中该至少一转换电路 中的一个转换电路更包含一可变电流源， 一端连接至一电压源；以及一电阻，其一端与该可变电流源的另一端串接形成一输入节点，该输入节点产生该比较电压，该电阻的另 一端连接至该图像;漢拟信号所相对应的一个接地电压。
6. —种图像处理装置，用以处理自 一显示卡馈入的至少一图像模拟信号， 并产生至少一数字信号，该图像处理装置包含一周边电路，被电气连接该显示卡，以传输该图像模拟信号，该周边电 路设有一接地端；以及一虛拟差动模拟前端电路，电气连接该周边电路，该虛拟差动模拟前端 电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一第一箝位器，接收该图像模拟信号，并重建该图像模拟信号的直流电 平，产生一第一重建信号；一第一输入緩冲器，将该第一重建信号緩冲之后产生一緩沖信号；以及一模拟至数字转换器，每一模拟至数字转换器包含正、负两个输入端， 其中一端接收该緩冲信号，另一端接收一比较电压，且每一模拟至数字转换 器将正、负输入端的电压差转换成该数字信号；其中，当该转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同 一个该比4交电压。
7. 如权利要求6所述的图像处理装置，其中该第一输入緩冲器包含 一可变电流源,其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连4妾至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第一重建信号。
8. 如权利要求6所述的图像处理装置，其中该至少一转换电路中的一个 转换电路更包含一第二箝位器，连接至该周边电路的该接地端，以产生一第二重建信 号；以及一第二输入緩冲器，将该第二重建信号緩冲之后产生该比较电压。
9. 如权利要求8所述的图像处理装置，其中该第二输入緩冲器包含 一可变电流源，其一端接地；以及一 NMOS晶体管，漏极连接至一电压源，源极连接至该可变电流源的 另一端，栅极接收该第二重建信号。
10.如权利要求6所迷的图像处理装置，其中该至少一转换电路中的一个转换电路更包含一可变电流源， 一端连接至一电压源；以及一电阻，其一端与该可变电流源的另 一端串接形成一输入节点，该输入 节点产生该比较电压，该电阻的另 一端连接至该周边电路的该接地端。
全文摘要
本发明提供一种图像处理装置，该图像处理装置包含一虚拟差动模拟前端电路，用以接收至少一图像模拟信号，并产生至少一数字信号。该虚拟差动模拟前端电路包含至少一转换电路，每一转换电路包含一箝位器、一输入缓冲器与一模拟至数字转换器。其中，当转换电路的数目大于1时，每一模拟至数字转换器均接收同一个比较电压。
文档编号G09G3/36GK101452678SQ200710196248
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者蔡瑞原 申请人:瑞昱半导体股份有限公司
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