具体实施方式
图1所示为依据本发明第一实施例的缓冲器电路100的示意图。缓冲器电路100具有一输入端Vin及一输出端Vout。输入端Vin接收一输入信号Sin。输出端Vout提供一输出信号Sout。缓冲器电路100包含一晶体管迭接电路110、一闩锁器电路120、晶体管M1、晶体管M2以及一电压产生电路130。晶体管迭接电路110偏压于一第一电压V1,且晶体管迭接电路110接收输入信号Sin。闩锁器电路120偏压于一第二电压V2,第二电压为一负电压。晶体管M1及晶体管M2耦接于晶体管迭接电路110及闩锁器电路120之间,且晶体管M1的栅极端耦接至晶体管M2的栅极端。电压产生电路130根据第二电压V2提供一偏压电压Vbias至晶体管M1的栅极端以及晶体管M2的栅极端。电压产生电路130根据第二电压V2的电位动态地调整偏压电压Vbias的电位,且当缓冲器电路100刚启动时,偏压电压Vbias为一第一电位,当缓冲器电路100达到稳态后,偏压电压为一第二电位。
在一实施例中,缓冲器电路100偏压于第一电压V1及第二电压V2,第一电压V1的电位为+VDD,第二电压V2的电位为-VDD。输入信号Sin具有从接地电压的电位0至第一电压V1的电位VDD的摆幅。输出信号Sout具有从第二电压V2的电位-VDD至第一电压V1的电位VDD的摆幅。当缓冲器电路100刚启动时,此时第二电压V2的电位为0V,偏压电压Vbias为一第一电位,此第一电位高于晶体管M2的源极电压加上晶体管M2的一临界电压以使晶体管M2导通。当缓冲器电路100达到稳态后,此时第二电压V2的电位已经达到-VDD,偏压电压Vbias为一第二电位,随着V2逐渐下降至-VDD,第二电位往0V逼进,而使晶体管M2导通。本领域技术人员可知,偏压电压Vbias并不会完全等于0V,而是实质上趋近于0V。
详细地说,图2所示为图1的缓冲器电路的一例的电路示意图。在一实施例中,晶体管迭接电路110例如包含四颗晶体管,晶体管M3~M6。晶体管M3,耦接至输入端Vin以接收输入信号Sin,且偏压于第一电压V1。晶体管M4耦接在晶体管M3及晶体管M1之间,且晶体管M4与晶体管M1之间具有端点Voutb。晶体管M5耦接至端点Vinb以接收输入信号Sin的反相信号并偏压于第一电压V1。晶体管M6耦接在晶体管M5及晶体管M2之间,且晶体管M6及晶体管M2之间具有输出端Vout。晶体管M6的栅极端耦接至晶体管M4的栅极端。在其他实施例中,晶体管迭接电路110也可包含更多晶体管迭接而组成,本发明并不以此为限。
在一实施例中,闩锁器电路120包含晶体管M7及晶体管M8。晶体管M7耦接至晶体管M1,并偏压于第二电压V2。且晶体管M7的栅极端耦接至晶体管M2。晶体管M8耦接至晶体管M2,并偏压于第二电压V2。且晶体管M8的栅极端耦接至晶体管M1。在其他实施例中,闩锁器电路120也可包含更多晶体管迭接在晶体管M7或晶体管M8与第二电压V2的端点之间,本发明并不以此为限。
在此实施例中,电压产生电路130包含电阻R及晶体管M9。电阻R的第一端接收第三电压V3,其中,设定第三电压V3的电位高于在缓冲器电路100刚启动时,偏压电压Vbias的第一电位,以使晶体管M2导通。晶体管M9的第一端耦接至电阻R的第二端以提供偏压电压Vbias。晶体管M9的第二端耦接至接地端。晶体管M9的控制端接收第二电压V2。
在操作中,当缓冲器电路100刚启动时,第二电压V2此时的电位为0V,晶体管M9不导通,因此,电阻R接收第三电压V3而由第二端提供第一电位的偏压电压Vbias。当缓冲器电路200达到稳态时,此时第二电压V2的电位达到-VDD,晶体管M9为导通而接地,以使晶体管M9的第一端提供趋近于接地电位的偏压电压Vbias。随着V2逐渐下降至-VDD,M9的导通状态逐渐使偏压电压Vbias往0V逼进。本领域技术人员可知,Vbias并不会完全等于0V,而是实质上趋近于0V。
请参照图3A及3B说明缓冲器电路100的操作。图3A和3B所示为图2的缓冲器电路100达到稳态时分别在第一周期和第二周期的各晶体管的操作电压电位以及各端点的电压电位示意图。在第一周期中,如图3A所示,输入信号Sin的电位为0V,此时晶体管M3的源极端偏压于第一电压V1的电位VDD,例如为3.3V。晶体管M3的栅极端耦接至输入端Vin而接收0V的输入信号Sin而为导通(标示为ON)。晶体管M4的源极端耦接至晶体管M3的漏极端,且因为晶体管M3为导通,晶体管M4的源极端为3.3V。而晶体管M4的栅极端为0V,因此晶体管M4也为导通而使晶体管M4的漏极端,即端点Voutb,亦为3.3V。晶体管M5的源极端亦偏压于第一电压V1的电位VDD,即3.3V。晶体管M5的栅极端耦接至输入端Vinb而接收的输入信号Sin的反相信号,即3.3V,因此晶体管M5为不导通(标示为OFF)。晶体管M6的源极端耦接至晶体管M5的漏极端,且因为晶体管M5为不导通,晶体管M6的源极端为0V。而晶体管M6的栅极端为0V,因此晶体管M6也为不导通。
在第一周期中,如图3A所示,晶体管M1的源极端的电压电位在理想状态上与偏压电压Vbias相等而为0V,实际上因为制程,晶体管M1的源极端的电压电位为趋近于偏压电压Vbias的电位,故本领域具有通常知识者应能理解晶体管M1的源极端的电压电位实质上相同于偏压电压Vbias的电位。在一实施例中,晶体管M1的源极端为0V,而晶体管M1的栅极端亦为0V,因此晶体管M1为不导通。晶体管M8的栅极端耦接到晶体管M1的源极端而为0V,晶体管M8的源极端偏压在第二电压V2的电位-VDD,例如为-3.3V,因此晶体管M8为导通。因为晶体管M8为导通,晶体管M8的漏极端为-3.3V。晶体管M7的栅极端耦接至晶体管M8的漏极端而为-3.3V,晶体管M7的源极端亦偏压在第二电压V2的电位-VDD而为-3.3V,因此晶体管M7为不导通。晶体管M2的源极耦接至晶体管M8的漏极端而为-3.3V,而晶体管M2的栅极端为0V,因此晶体管M2为导通。因为晶体管M2为导通,晶体管M2的漏极端为3.3V。也就是说,在如图3A所示的第一周期中,晶体管M2于端点Vout提供-3.3V的输出信号Sout。
另一方面,图3B所示为第二周期中,输入信号Sin的电位为3.3V,此时晶体管M3的源极端偏压于第一电压V1的电位VDD,即3.3V,且晶体管M3的栅极端耦接至输入端Vin而接收3.3V的输入信号Sin而因此为不导通。因为晶体管M3为不导通,晶体管M4的源极端为0V,且晶体管M4的栅极端为0V,因此晶体管M4也为不导通。晶体管M5的源极端亦偏压于第一电压V1的电位VDD,即3.3V。晶体管M5的栅极端耦接至输入端Vinb而接收的输入信号Sin的反相信号,即0V,因此晶体管M5为导通。因为晶体管M5为导通,且晶体管M6的源极端耦接至晶体管M5的漏极端,因此晶体管M6的源极端为3.3V。而晶体管M6的栅极端为0V,因此晶体管M6也为导通。因为晶体管M6为导通,晶体管M6的漏极端为3.3V。也就是说,在如图3B所示的第二周期中,晶体管M6于端点Vout提供3.3V的输出信号Sout。
在第二周期中,如图3B所示,晶体管M2的源极端为0V,而晶体管M2的栅极端亦为0V,因此晶体管M2为不导通。晶体管M7的栅极端耦接到晶体管M2的源极端而为0V,晶体管M7的源极端偏压在第二电压V2的电位-VDD,即-3.3V,因此晶体管M7为导通。因为晶体管M7为导通,晶体管M7的漏极端为-3.3V。晶体管M8的栅极端耦接至晶体管M7的漏极端而为-3.3V,晶体管M8的源极端亦偏压在第二电压V2的电位-VDD而为-3.3V,因此晶体管M8为不导通。晶体管M1的源极耦接至晶体管M7的漏极端而为-3.3V,而晶体管M1的栅极端为0V,因此晶体管M1为导通。因为晶体管M1为导通,晶体管M1的漏极端为3.3V,即晶体管M1的漏极端,即端点Voutb为-3.3V。
如图3A及3B所示,在缓冲器电路100达到稳态时,晶体管M1的栅极端接收的偏压电压Vbias为0V。然而,在缓冲器电路100刚启动时,若偏压电压Vbias为0V,则缓冲器电路100会无法正常操作。请参照图4A,图4A所示为在缓冲器电路100刚启动时,若提供晶体管M1的栅极端0V的偏压电压,缓冲器电路100中各晶体管的操作电压电位以及各端点的电压电位示意图。如图4A所示,晶体管M8的栅极端耦接到晶体管M1的源极端而为0V,晶体管M8的源极端偏压在第二电压V2。然而,在缓冲器电路100刚启动时,第二电压V2的电位为0V,因此晶体管M8为不导通。因为晶体管M8为不导通,晶体管M8的漏极端为0V。晶体管M2的源极耦接至晶体管M8的漏极端而为0V,而晶体管M2的栅极端为0V,因此晶体管M2为不导通。因为晶体管M2为不导通,也因此,晶体管M2于端点Vout提供0V的输出信号Sout。并且,晶体管M7的栅极端耦接至晶体管M8的漏极端而为0V,晶体管M7的源极端亦偏压在第二电压V2而为0V,因此晶体管M7亦为不导通,而晶体管M7的漏极端仍然保持在0V。也就是说,如果在缓冲器电路100刚启动时,提供0V的偏压电压Vbias至晶体管M1的栅极端以及晶体管M2的栅极端,会造成晶体管M2及晶体管M8无法导通,因此不能在输出端Vout提供电位-VDD的输出信号Sout。
因此,在缓冲器电路100刚启动时,必须要提供适合的偏压电压Vbias以使晶体管M2及晶体管M8导通进而能提供–VDD电位的输出信号Sout。请参照图4B,图4B所示为在缓冲器电路100刚启动时,提供Vbias>2Vt的偏压电压,缓冲器电路100中各晶体管的操作电压电位以及各端点的电压电位示意图。在此实例中,提供大于两倍临界电压(晶体管M2及晶体管M8的临界电压)的偏压电压以使晶体管M2及晶体管M8为导通。在其他实施例中,若输出端Vout与第二电压V2之间耦接有更多晶体管,例如N个串联的晶体管,则提供大于N*Vt的偏压电压,以使这N个串联的晶体管皆能导通。
在缓冲器电路100启动之后,随着第二电压V2的电位逐渐的由0V变为-VDD时,虽然提供大于两倍临界电压的偏压电压(Vbias>2Vt)可使晶体管M2及晶体管M8为导通,但是会造成晶体管操作在过电压的状态,而可能会导致晶体管的损坏。请参照图4C,图4C所示为在缓冲器电路100达到稳态时,提供Vbias>2Vt的偏压电压,缓冲器电路100中各晶体管的操作电压电位以及各端点的电压电位示意图。如图4C所示,晶体管M1的栅极端接收Vbias>2Vt的偏压电压,例如1V,而晶体管M1的源极端亦为1V而使晶体管M1为不导通。晶体管M8的栅极端耦接到晶体管M1的源极端而为1V,晶体管M8的源极端偏压在第二电压V2,即-3.3V,此时晶体管M8为导通,但操作在过电压的情况下(Vgs=4.3V>VDD(3.3V),且Vgd=4.3V>VDD(3.3V))。因为晶体管M8为导通,晶体管M8的漏极端为-3.3V。晶体管M2的栅极端也接收Vbias>2Vt的偏压电压,即1V,而晶体管M2的源极耦接至晶体管M8的漏极端而为-3.3V,因此晶体管M2为导通,但操作在过电压的情况下(Vgs=4.3V>3.3V,且Vgd=4.3V>3.3V)。
因此,由图4A~4C的描述可知,在缓冲器电路100刚启动时及达到稳态时,也就是第二电压V2的电位为0V时及-VDD时,必须要提供不同电位的偏压电压Vbias至晶体管M1的栅极端及晶体管M2的栅极端以使晶体管M2及晶体管M8导通。
以下兹举一例说明缓冲器电路100在刚启动时及达到稳态时,电压产生电路130动态调整偏压电压Vbias的电位。图5A和图5B分别所示在缓冲器电路100刚启动时及达到稳态时,缓冲器电路100中各晶体管的操作电压电位以及各端点的电压电位示意图。在缓冲器电路100刚启动时,如图5A所示,电阻R的第一端接收第三电压V3,例如为1.5V。在缓冲器电路100刚启动时,第二电压V2的电位为0V,此时晶体管M9的栅极端接收0V的第二电压V2,因此晶体管M9为不导通以使电阻R接收第三电压V3而由电阻R的第二端提供约1.5V的偏压电压Vbias。由于电压产生电路130提供约1.5V的偏压电压Vbias至晶体管M2的栅极端,可使晶体管M2及晶体管M8导通。并且,如图5A所示,此时晶体管M2及晶体管M8也没有操作在过电压的情况下(Vgs=1.5V≤3.3V,且Vgd=1.5V≤3.3V)。
而在缓冲器电路100达到稳态时,如图5B所示,第二电压V2的电位为-3.3V,此时晶体管M9的栅极端接收-3.3V的第二电压V2,低于晶体管M9的源极端(约为1.5V),因此晶体管M9为导通以使晶体管M9的源极端提供0V的偏压电压Vbias。随着V2逐渐下降至-VDD,M9的导通状态逐渐使Vbias往0V逼进。本领域技术人员可知,Vbias并不会完全等于0V,而是实质上趋近于0V。由于电压产生电路130提供0V的偏压电压Vbias至晶体管M2的栅极端,可使晶体管M2及晶体管M8导通而能在输出端Vout提供电位-3.3V的输出信号Sout。并且,如图5A所示,此时晶体管M2及晶体管M8也没有过电压的问题(Vgs=3.3V≤3.3V,且Vgd=3.3V≤3.3V)。
由上述内容可知,电压产生电路130可随着第二电压V2的电位动态地调整偏压电压Vbias的电位,而使晶体管M2及晶体管M8在缓冲器电路100刚启动时及达到稳态时皆能正常导通,且不会操作在过电压的情况下而可在输出端Vout提供电位-3.3V的输出信号Sout。
图6所示为依据本发明第一实施例的缓冲器电路100的应用的一例的示意图。举例来说,电压产生器600包含电荷泵电路610,并使用缓冲器电路100来产生控制电荷泵电路610的信号S2。
以下兹举一例详细说明,请参照图7,图7所示为图6的电压产生器600的一例的示意图。电荷泵电路610包含一输入端Vi、电容C1、电容C2、开关SW1~SW4、以及一输出端Vo。电容C1具有第一端N1及第二端N2。电容C2具有第一端N3及第二端N4。电容C2的第一端N3耦接到接地端GND,且第二端N4耦接到输出端Vo。接地端GND具有一接地电压电位,例如为0(V)。在一实施例中,输出端Vo具有一输出电压电位,例如为-VDD(V)。开关SW1耦接于输入端Vi与电容C1的第一端N1之间,并受控于控制信号S1。输入端Vin具有一输入电压电位,例如为VDD(V)。开关SW2耦接于电容C1的第一端N1与电容C2的第一端N3之间,并受控于控制信号S2。开关SW3耦接于接地端GND与电容C1的第二端N2之间,并受控于控制信号S3。开关SW4耦接于电容C1的第二端N2与电容C2的第二端N4之间,并受控于控制信号S4。当开关SW1与开关SW3导通时,开关SW2与开关SW4不导通。同理,当开关SW1与开关SW3不导通时,开关SW2与开关SW4导通。
在此实施例中,缓冲器电路100用于提供控制信号S3到开关SW3的控制端。缓冲器电路100于输入端Vin接收一输入信号Sin,并于输出端Vout提供一输出信号Sout。输入信号Sin具有从接地电压的电位0V至第一电压V1的电位VDD的摆幅。输出信号Sout具有从第二电压V2的电位-VDD至第一电压V1的电位VDD的摆幅。在一实施例中,缓冲器电路100的电压产生电路130(示于图2)的第二电压V2是连接至电荷泵电路610的输出端Vo。随着Vo的变化,电压产生电路130根据第二电压V2的电位动态调整偏压电压Vbias的电位。
根据上述实施例,提供了一种缓冲器电路。缓冲器电路100具有一输入端Vin及一输出端Vout。输入端Vin接收一输入信号Sin。输出端Vout提供一输出信号Sout。缓冲器电路100包含一晶体管迭接电路110、一闩锁器电路120、晶体管M1、晶体管M2以及一电压产生电路130。晶体管迭接电路110偏压于一第一电压V1,且晶体管迭接电路110接收输入信号Sin。闩锁器电路120偏压于一第二电压V2,第二电压为一负电压。晶体管M1及晶体管M2耦接于晶体管迭接电路110及闩锁器电路120之间,且晶体管M1的栅极端耦接至晶体管M2的栅极端。电压产生电路130根据第二电压V2提供一偏压电压Vbias至晶体管M1的栅极端以及晶体管M2的栅极端。电压产生电路130根据第二电压V2的电位动态调整偏压电压Vbias的电位,且当缓冲器电路100刚启动时,偏压电压Vbias为一第一电位,当缓冲器电路100达到稳态后,偏压电压为一第二电位。
根据上述实施例,更提供了一种应用缓冲器电路的电压产生器。电压产生器600包含电荷泵电路610,并使用缓冲器电路100来产生控制电荷泵电路610的信号S2。
本发明的缓冲器电路藉由电压产生电路动态调整偏压电压的电位,而使晶体管在缓冲器电路刚启动时及达到稳态时皆能正常导通,且不会操作在过电压的情况下提供输出信号,因此可避免元件因为高电压导致损坏。另外,本发明相较于已知的电路设计,可不需要使用耐高压元件而可进一步节省电路的成本。
综上所述,虽然本发明已以多个实施例揭示如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当以权利要求书界定为准。