TW201524125A - 轉壓器 - Google Patents

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Abstract

一種轉壓器，將一輸入信號轉換為一輸出信號，包括：一第一電晶體，其汲極連接至一第一節點，其閘極接收該輸入信號，以及其源極連接至一第一電源電壓；一第二電晶體，其汲極連接至一第二節點，其閘極接收反相的該輸入信號，以及源極連接至該第一電源電壓；一第三電晶體，其源極連接至一第二電源電壓，其汲極連接至該第一節點，以及其閘極連接至該第二節點；一第四電晶體，其源極連接至該第二電源電壓，其汲極連接至該第二節點，其閘極連接至該第一節點，其中該第一節點係作為一第一輸出端以產生反相的該輸出信號，且該第二節點係作為一第二輸出端以產生該輸出信號；以及一開關電路，連接於該第一節點與該第二節點之間，且該開關電路受控於一致能信號；其中，於該輸入信號轉換準位時，利用該致能信號控制該開關電路動作一時間周期，進而使得該輸出信號轉換準位。

Description

轉壓器
本發明係有關一種轉壓器，尤指一種能有效縮減佈局面積的轉壓器。
轉壓器可接收信號範圍較小的輸入信號，並將其對應地轉換為信號範圍較大的輸出信號，是介面電路中的重要構築方塊。譬如說，在驅動顯示面板的源極驅動器(source driver)晶片中，其原始控制信號的信號範圍可以是0到1.5伏特，然，而輸出至驅動顯示面板的源極時，所需的信號範圍可能就要轉換擴大到0到5伏特。為了在兩種信號範圍間進行轉換，就需要使用到轉壓器，用以將0到1.5伏特的輸入信號轉換為0到5伏特的輸出信號。
請參考第1A圖與第1B圖，其所繪示為習知轉壓器。此轉壓器10可將信號範圍介於電壓VDD1至GND的輸入信號IN轉為信號範圍在電壓VDD2至GND間的輸出信號OUT。其中，VDD1為第一電源電壓(例如1.5伏特)，VDD2為第二電源電壓(例如5伏特)，GND為接地電壓(例如0伏特)，其中，第二電源電壓VDD2大於第一電源電壓VDD1，且第一電源電壓VDD1大於接地電壓GND。
轉壓器10包括一第一P型電晶體MP1、第二P型電晶體MP2、第一N型電晶體MN1與第二N型電晶體MN2，其中，第一P型電晶體MP1的源極連接至第二電源電壓VDD2，汲極連接至第一節點(a)，以及閘極連接至第二節點(b)。第二P型電 晶體MP2源極連接至第二電源電壓VDD2，汲極連接至第二節點(b)，以及閘極連接至第一節點(a)。
再者，第一N型電晶體MN1汲極連接至第一節點 (a)，源極連接至接地電壓GND，以及閘極接收輸入信號IN。第二N型電晶體MN2汲極連接至第二節點(b)，源極連接至接地電壓GND，以及閘極接收反相的輸入信號INB。其中，第一節點(a)更做為第一輸出端，用以產生反相輸出信號OUTB，以及第二節點(b)更做為第二輸出端，用以產生輸出信號OUT。
當轉壓器10的輸入信號(IN)為1.5伏特且反相輸入 信號(INB)為0伏特時，第一N型電晶體MN1與第二P型電晶體MP2為動作(turn on)，第二N型電晶體MN2與第一P型電晶體MP1為不動作(turn off)。因此，輸出信號OUT為5伏特的第二電源電壓VDD2，反相輸出信號OUT為0伏特的接地電壓GND。
當轉壓器10的輸入信號(IN)為0伏特且反相輸入信 號(INB)為1.5伏特時，第一N型電晶體MN1與第二P型電晶體MP2為不動作(turn off)，第二N型電晶體MN2與第一P型電晶體MP1為動作(turn on)。因此，輸出信號OUT為0伏特的接地電壓GND，以及反相輸出信號OUT為5伏特的第二電源電壓VDD2。
習知轉壓器10的缺點在於佈局面積太大，以及輸出信號OUT轉態過程(transition period)太長且耗能(power consumption)過高。詳細說明如下：如第1B圖所示，當輸入信號IN由1.5伏特轉換為0伏特且反相輸入信號INB由0伏特轉換為1.5伏特的瞬間，第二N型電晶體MN2與第二P型電晶體MP2會同時開啟，進而產生短路電流Is。
為了讓輸出信號OUT以及反相輸出信號OUTB能夠順利轉態，需要設計成較大尺寸(size)的第一N型電晶體(MN1)以及第二N型電晶體(MN2)，使其具備較大的驅動能力(driving strength)。換句話說，在習知的轉壓器10設計上，需要特別設計N型電晶體與P型電晶體的尺寸比例，其中，N型電晶體的尺寸要大於P型電晶體的尺寸。
然而，上述的設計將使整個轉壓器10的佈局面積過大，且輸出信號OUT轉態過程太長且短路電流過大的缺點。
由第1B圖可知，輸出信號OUT與反相輸出信號OUTB的轉態過程Tt約為19ns，短路電流Is最大值約為50μA，平均短路電流約為15.4μA。
本發明係有關於一種轉壓器，將一輸入信號轉換為一輸出信號，包括：一第一電晶體，具有一第一汲極連接至一第一節點，一第一閘極接收該輸入信號，以及一第一源極連接至一第一電源電壓；一第二電晶體，具有一第二汲極連接至一第二節點，一第二閘極接收反相的該輸入信號，以及一第二源極連接至該第一電源電壓；一第三電晶體，具有一第三源極連接至一第二電源電壓，一第三汲極連接至該第一節點，以及一第三閘極連接至該第二節點；一第四電晶體，具有一第四源極連接至該第二電源電壓，一第四汲極連接至該第二節點，以及一第四閘極連接至該第一節點，其中該第一節點係作為一第一輸出端以產生反相的該輸出信號，且該第二節點係作為一第二輸出端以產生該輸出信號；以及一開關電路，連接於該第一節點與該第二節點之間，係根據一致能信號用以控制該開關電路；其中，於該輸入信號轉換準位時，利用該致能信號控制該開關電路動作一時間周期，進而使得該輸出信號轉換準位。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10‧‧‧轉壓器
20‧‧‧轉壓器
30‧‧‧轉壓器
第1A圖與第1B圖所繪示的是習知轉壓器。
第2A圖與第2B圖所繪示為本發明的轉壓器的第一實施例及其相關信號示意圖。
第3圖所繪示為本發明的轉壓器的第二實施例。
本發明提出的轉壓器其可由尺寸最小的電晶體來實 現。因此，轉壓器的佈局面積可大幅縮小，且具備輸出信號OUT轉態過程短且耗能少的優點。詳細說明如下：請參考第2A圖與第2B圖，其所繪示為本發明轉壓器。此轉壓器20可將信號範圍介於電壓VDD1至GND的輸入信號IN轉為信號範圍在電壓VDD2至GND間的輸出信號OUT。其中，VDD1為第一電源電壓(例如1.5伏特)，VDD2為第二電源電壓(例如5伏特)，GND為接地電壓(例如0伏特)；亦即第二電源電壓VDD2大於第一電源電壓VDD1，且第一電源電壓VDD1大於接地電壓GND。
轉壓器20包括一開關電路SW、一第一P型電晶體 MP1、第二P型電晶體MP2、第一N型電晶體MN1與第二N型電晶體MN2。其中，第一實施例之開關電路SW係以P型電晶體為例來進行說明，汲極與源極為開關電路SW的二端，而閘極為控制端。當然，本發明的開關電路SW也可以是N型電晶體。
第一P型電晶體MP1源極連接至第二電源電壓VDD2；汲極連接至第一節點(a)；閘極連接至第二節點(b)。第二P型電晶體MP2源極連接至第二電源電壓VDD2；汲極連接至第二節點(b)；閘極連接至第一節點(a)。
再者，第一N型電晶體MN1汲極連接至第一節點(a)；源極連接至接地電壓GND；閘極接收輸入信號IN。第二N型電晶體MN2汲極連接至第二節點(b)；源極連接至接地電壓 GND；閘極接收反相的輸入信號INB。其中，第一節點(a)更做為第一輸出端，產生反相輸出信號OUTB；第二節點(b)更做為第二輸出端，產生輸出信號OUT。
相較於習知轉壓器，本發明更增加一開關電路SW， 其控制端連接至一致能信號(EN)，且該開關電路SW的二端分別連接於第一節點(a)與第二節點(b)。於輸出信號OUT與反相輸出信號OUTB的轉態過程時，先將短暫地致能(enable)該開關電路Sw一時間周期，使得開關電路SW動作(turn on)以縮小第一節點(a)與第二節點(b)之間的電壓差；之後，再禁能(disable)該開關電路SW，使得開關電路SW不動作(turn off)。如此，可以大幅度地降低短路電流，並且縮短輸出信號OUT的轉態過程。
當轉壓器20的輸入信號(IN)為1.5伏特且反相輸入 信號(INB)為0伏特的穩態(steady state)時，開關電路為SW禁能，第一N型電晶體MN1與第二P型電晶體MP2為動作(turn on)，第二N型電晶體MN2與第一P型電晶體MP1為不動作(turn off)。 因此，輸出信號OUT為5伏特的第二電源電壓VDD2，反相輸出信號OUT為0伏特的接地電壓GND。
當轉壓器20的輸入信號(IN)為0伏特且反相輸入信 號(INB)為1.5伏特的穩態時，開關電路SW禁能，第一N型電晶體MN1與第二P型電晶體MP2為不動作(turn off)，第二N型電晶體MN2與第一P型電晶體MP1為動作(turn on)。因此，輸出信號OUT為0伏特的接地電壓GND，反相輸出信號OUT為5伏特的第二電源電壓VDD2。
如第2B圖所示，當輸入信號IN由1.5伏特轉換為 0伏特且反相輸入信號INB由0伏特轉換為1.5伏特的瞬間，致能信號EN用以致能(enable)開關電路SW，使得開關電路SW為動作(turn on)。此時，由於電荷分享(charge sharing)將使得第一節點(a)與第二節點(b)之間的電壓差縮小。例如，輸出信號OUT由5伏特降至2伏特，反相輸出信號OUTB由0伏特上升至3伏特。
再者，當致能信號EN禁能(disable)開關電路SW 時，輸出信號OUT立刻由2伏特降至0伏特，反相輸出信號OUTB由3伏特上升至5伏特，並且完成轉態過程Tt。因此，開關電路SW關閉的時間周期即可視為輸出信號OUT的轉態過程。
很明顯地，本發明轉壓器20輸出信號OUT與反相 輸出信號OUTB的轉態過程Tt約為6ns，短路電流Is最大值約為68μA，平均短路電流約為4.5μA。相較於習知轉壓器，本發明知轉壓器確實具備輸出信號OUT轉態過程短以及耗能少的優點。
再者，由於輸出信號OUT轉態過程，利用電荷分享 將第一節點(a)與第二節點(b)之間的電壓差縮小，因此並不需要特別設計N型電晶體與P型電晶體之間的尺寸比例，只需利用最小尺寸的N型電晶體與P型電晶體極所實現的轉壓器，即可以讓輸出信號OUT與反相輸出信號OUTB順利地轉態。因此，轉壓器的佈局面積也可以大幅的縮小。
請參照第3圖，其所繪示為本發明轉壓器的第二實 施例。此轉壓器30可將信號範圍介於電壓VDD1至VDD2的輸入信號IN轉為信號範圍在電壓VDD2至GND間的輸出信號OUT。其中，VDD1為第一電源電壓(例如3.5伏特)，VDD2為第二電源電壓(例如5伏特)，GND為接地電壓(例如0伏特)；亦即第二電源電壓VDD2大於第一電源電壓VDD1，且第一電源電壓VDD1大於接地電壓GND。
轉壓器30包括一開關電路SW、一第一P型電晶體 MP1、第二P型電晶體MP2、第一N型電晶體MN1與第二N型電晶體MN2。其中，第二實施例之開關電路SW可為N型電晶體或者P型電晶體，其汲極與源極分別為開關電路SW的二端，而閘極為控制端。
第一P型電晶體MP1源極連接至第二電源電壓 VDD2；汲極連接至第一節點(a)；閘極接收輸入信號IN。第二P型電晶體MP2源極連接至第二電源電壓VDD2；汲極連接至第二 節點(b)；閘極接收反相輸入信號INB。
再者，第一N型電晶體MN1汲極連接至第一節點(a)；源極連接至接地電壓GND；閘極連接至第二節點(b)。第二N型電晶體MN2汲極連接至第二節點(b)；源極連接至接地電壓GND；閘極連接至第一節點(a)。其中，第一節點(a)更做為第一輸出端，用以產生反相輸出信號OUTB，以及第二節點(b)更做為第二輸出端，用以產生輸出信號OUT。
開關電路SW的控制端連接至一致能信號(EN)，且該開關電路SW的二端分別連接於第一節點(a)與第二節點(b)。
同理，第二實施例的轉壓器30於輸出信號OUT與反相輸出信號OUTB的轉態過程時，先將短暫地致能(enable)該開關電路SW，使得開關電路SW為動作(turn on)以縮小第一節點(a)與第二節點(b)之間的電壓差；之後，再禁能(disable)該開關電路SW，使得開關電路SW為不動作(turn off)。如此，可以大幅度地降低短路電流，並且縮短輸出信號OUT的轉態過程。其詳細動作原理相同於第一實施例，此處不再贅述。
由上述的說明可知，本發明的優點在於轉壓器的佈局面積可以有效地減少，並且可縮短輸出信號OUT的轉態過程，並且更省電。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
20‧‧‧轉壓器

Claims (16)

  1. 一種轉壓器，將一輸入信號轉換為一輸出信號，包括：一第一電晶體，具有一第一汲極連接至一第一節點，一第一閘極接收該輸入信號，以及一第一源極連接至一第一電源電壓；一第二電晶體，具有一第二汲極連接至一第二節點，一第二閘極接收反相的該輸入信號，以及一第二源極連接至該第一電源電壓；一第三電晶體，具有一第三源極連接至一第二電源電壓，一第三汲極連接至該第一節點，以及一第三閘極連接至該第二節點；一第四電晶體，具有一第四源極連接至該第二電源電壓，一第四汲極連接至該第二節點，以及一第四閘極連接至該第一節點，其中該第一節點係作為一第一輸出端以產生反相的該輸出信號，且該第二節點係作為一第二輸出端以產生該輸出信號；以及一開關電路，連接於該第一節點與該第二節點之間，係根據一致能信號用以控制該開關電路；其中，於該輸入信號轉換準位時，利用該致能信號控制該開關電路動作一時間周期，進而使得該輸出信號轉換準位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之轉壓器，其中該第一電晶體與該第二電晶體為N型電晶體，以及該第三電晶體與該第四電晶體為P型電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之轉壓器，其中該第二電源電壓大於該第一電源電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之轉壓器，其中該輸入信號的信號範圍介於電壓1.5伏特至0伏特，該輸出信號的信號範圍介於電壓5伏特至0伏特，且該第二電源電壓為5伏特，以及該 第一電源電壓為0伏特。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之轉壓器，其中該輸入信號為一高準位且反相的該輸入信號為一低準位且該開關電路不動作時，該第一電晶體與該第四電晶體動作，該第二電晶體與該第三電晶體不動作，使得該輸出信號為該第二電源電壓且反相的該輸出信號為該第一電源電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之轉壓器，其中該輸入信號由該高準位轉換為該低準位時，該開關電路動作該時間周期，並使得該第一節點與該第二節點進行一電荷分享以降低該第一節點與該第二節點之間的一電壓差。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之轉壓器，其中該輸入信號由該高準位轉換為該低準位且該開關電路動作該時間周期之後，該輸出信號為該第一電源電壓且反相的該輸出信號為該第二電源電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之轉壓器，其中該輸入信號為該低準位且反相的該輸入信號為該高準位且該開關電路不動作時，該第一電晶體與該第四電晶體不動作，該第二電晶體與該第三電晶體動作，使得該輸出信號為該第一電源電壓且反相的該輸出信號為該第二電源電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之轉壓器，其中該開關電路係為一電晶體，具有一閘極接收該致能信號，以及一汲極與一源極分別連接至該第一節點與該第二節點。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之轉壓器，其中該第一電晶 體與該第二電晶體為P型電晶體，且該第三電晶體與該第四電晶體為N型電晶體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之轉壓器，其中第一電源電壓大於該第二電源電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之轉壓器，其中該輸入信號的信號範圍介於電壓3.5伏特至5伏特，該輸出信號的信號範圍介於電壓5伏特至0伏特，且該第二電源電壓為0伏特，該第一電源電壓為5伏特。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之轉壓器，其中該輸入信號為一低準位且反相的該輸入信號為一高準位且該開關電路不動作時，該第一電晶體與該第四電晶體動作，該第二電晶體與該第三電晶體不動作，使得該輸出信號為該第二電源電壓且反相的該輸出信號為該第一電源電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之轉壓器，其中該輸入信號由該低準位轉換為該高準位時，該開關電路動作該時間周期，並使得該第一節點與該第二節點進行一電荷分享以降低該第一節點與該第二節點之間的一電壓差。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之轉壓器，其中該輸入信號由該低準位轉換為該高準位且該開關電路動作該時間周期之後，該輸出信號為該第一電源電壓且反相的該輸出信號為該第二電源電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之轉壓器，其中該輸入信號為該高準位且反相的該輸入信號為該低準位且該開關電路不動作時，該第一電晶體與該第四電晶體不動作，該第二電晶體與 該第三電晶體動作，使得該輸出信號為該第一電源電壓且反相的該輸出信號為該第二電源電壓。
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