TW201833706A - 電壓調整器 - Google Patents

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Abstract

一種電壓調整器，連接至一輸出入電路，該電壓調整器包括：一控制電路，產生一第一參考電壓、一第二參考電壓、一第一電源啟動控制信號與一第二電源啟動控制信號；一流入電壓產生器，接收該第一參考電壓與該第一電源啟動控制信號；以及一流出電壓產生器，接收該第二參考電壓與該第二電源啟動控制信號；其中，於正常運作時，該控制電路不動作該第一電源啟動控制信號與該第二電源啟動控制信號，該流入電壓產生器根據該第一參考電壓產生一流入電壓，且該流出電壓產生器根據該第二參考電壓產生一流出電壓。

Description

電壓調整器
本發明係有關一種電壓調整器，尤指一種運用於級聯輸出入電路(cascade I/O circuit)的流出與流入電壓調整器(source and sink voltage regulator)。
眾所周知，為了讓積體電路(IC)晶片具備較高操作速度以及較少的功率消耗(power consumption)，IC晶片內部的電路係以低耐壓的電晶體來設計，例如1.8V耐壓的電晶體。
另外，由於IC晶片的輸出墊(output pad)上需要提供較高的電壓，例如3.3V的電壓。因此，在輸出入電路(I/O circuit)的設計上，會將耐壓1.8V的電晶體設計成級聯連接(cascade connection)。
舉例來說，輸出入電路(I/O circuit)中，3.3V的電源電壓與輸出墊(output pad)之間包括二個級聯連接的P型電晶體。當輸出入電路提供0V至輸出入墊時，可以讓每個P型電晶體的汲源端(source-drain)在耐壓(1.8V)範圍之內。
同理，輸出入電路(I/O circuit)中，輸出墊(output pad)與接地電壓(GND)與之間包括二個級聯連接的N型電晶體。當輸出入電路提供3.3V至輸出入墊時，可以讓每個N型電晶體的汲源端(source-drain)在耐壓(1.8V)範圍之內。
然而，在輸出入電路(I/O circuit)運作的過程中，P型電晶體或者N型電晶體的閘極電壓需要適當的控制。否則電晶體閘源(gate-source)電壓可能超過其耐壓而損毀。
本發明係有關於一種電壓調整器，連接至一輸出入電路，該電壓調整器包括：一控制電路，產生一第一參考電壓、一第二參考電壓、一第一電源啟動控制信號與一第二電源啟動控制信號；一流入電壓產生器，接收該第一參考電壓與該第一電源啟動控制信號；以及一流出電壓產生器，接收該第二參考電壓與該第二電源啟動控制信號；其中，於正常運作時，該控制電路不動作該第一電源啟動控制信號與該第二電源啟動控制信號，該流入電壓產生器根據該第一參考電壓產生一流入電壓，且該流出電壓產生器根據該第二參考電壓產生一流出電壓。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
請參照第1圖，其所繪示為本發明運用於級聯輸出入電路(cascade I/O circuit)的電壓調整器示意圖。輸出入電路100中包括上拉電路(pull-up circuit)102與下拉電路(pull-down circuit)104。
上拉電路102中，級聯連接的P型電晶體P1、P2連接於電源電壓Vcc與輸出墊120之間。再者，P型電晶體P1、P2的閘極分別接收閘極信號Cp1、Cp2。
下拉電路104中，級聯連接的N型電晶體N1、N2連接於輸出墊120與接地電壓GND之間。再者，N型電晶體N1、N2的閘極分別接收閘極信號Cn1、Cn2。
當輸出入電路100欲輸出電源電壓Vcc至輸出墊120時，上拉電路102動作(activate)閘極信號Cp1、Cp2以開啟P型電晶體P1、P2，使得電源電壓Vcc傳遞至輸出墊120。同時，下拉電路104關閉輸出墊120至接地電壓GND之間的導電路徑(conduction path)。
當輸出入電路100欲輸出接地電壓GND至輸出墊120時，下拉電路104動作(activate)閘極信號Cn1、Cn2以開啟N型電晶體N1、N2，使得接地電壓GND傳遞至輸出墊120。同時，上拉電路102關閉輸出墊120至電源電壓Vcc之間的導電路徑(conduction path)。
為了防止上拉電路102產生不適當的閘極信號Cp1、Cp2，造成P型電晶體P1或P2的汲源端(source-drain)超過其耐壓。本發明的電壓調整器200提供一流入電壓(sink voltage)Vsk，例如1.5V，至上拉電路102，作為上拉電路102內部的最低電壓準位。因此，上拉電路102內的所有信號皆會操作在電源電壓Vcc與流入電壓Vsk之間。
同理，為了防止下拉電路104產生不適當的閘極信號Cn1、Cn2，造成N型電晶體N1或N2的汲源端(source-drain)超過其耐壓。本發明的電壓調整器200提供一流出電壓(source voltage)Vse，例如1.8V，至下拉電路104，作為下拉電路104內部的最高電壓準位。因此，下拉電路102內的所有信號皆會操作在流出電壓Vse與接地電壓GND之間。
換言之，本發明的電壓調整器200於正常運作時，提供流入電壓Vsk至上拉電路102，使得上拉電路102內的最高電壓準位為電源電壓Vcc且最低電壓準位為流入電壓Vsk。另外，本發明的電壓調整器200於正常運作時，提供流出電壓Vse至下拉電路104，使得下拉電路104內部的最高電壓準位為流出電壓Vse且最低電壓準位為接地電壓GND。
以下以電源電壓Vcc為3.3V、流入電壓Vsk為1.5V、流出電壓Vse為1.8V、接地電壓GND為0V為例來說明輸出入電路100的運作。
當輸出入電路100輸出電源電壓Vcc(3.3V)至輸出墊120時，上拉電路102的閘極信號Cp1、Cp2皆為流入電壓Vsk(1.5V)，使得P型電晶體P1、P2開啟，電源電壓Vcc(3.3V)傳遞至輸出墊120。同時，下拉電路104中，閘極信號Cn1為流出電壓(Vse)1.8V且閘極信號Cn2為接地電壓GND(0V)，使得輸出墊120至接地電壓GND之間的導電路徑(conduction path)被關閉。
當輸出入電路100輸出接地電壓GND(0V)至輸出墊120時，下拉電路104的閘極信號Cn1、Cn2皆為流出電壓Vse(1.8V)，使得N型電晶體N1、N2開啟，接地電壓GND(0V)傳遞至輸出墊120。同時，上拉電路102中，閘極信號Cp2為流入電壓(Vsk)1.5V且閘極信號Cp1為電源電壓Vcc(3.3V)，使得電源電壓Vcc至輸出墊120之間的導電路徑(conduction path)被關閉。
由以上的運作說明過程可知，不論輸出墊120產生高電壓(3.3V)或者低電壓(0V)，將可確保輸出入電路100中的P型電晶體P1、P1以及N型電晶體N1、N2的任二端皆不會超過其耐壓。
請參照第2圖，其所繪示為本發明電壓調整器示意圖。電壓調整器200包括：一流入電壓產生器(sink voltage generator)210、一流出電壓產生器(source voltage generator)220、一控制電路230。
流入電壓產生器210包括：一運算放大器OP1、電容器C1、電晶體Mp1、Mn1。運算放大器OP1正輸入端接收一參考電壓Vrp，負輸入端連接至一節點a。電容器C1連接於電源電壓Vcc與節點a之間。電晶體Mp1閘極連接至運算放大器OP1輸出端，第一端連接至節點a，第二端連接至接地電壓GND。電晶體Mn1閘極接收一電源啟動控制信號Ctrh，第一端連接至節點a，第二端連接至接地電壓GND。另外，節點a可產生流入電壓Vsk。
流出電壓產生器220包括：一運算放大器OP2、電容器C2、電晶體Mp2、Mn2。運算放大器OP2正輸入端接收一參考電壓Vrn，負輸入端連接至一節點b。電容器C2連接於接地電壓GND與節點b之間。電晶體Mn2閘極連接至運算放大器OP2輸出端，第一端連接至節點b，第二端連接至電源電壓Vcc。電晶體Mp2閘極接收一電源啟動控制信號Ctrl，第一端連接至節點b，第二端連接至電源電壓Vcc。另外，節點b可產生流出電壓Vse。
根據本發明的實施例，電壓調整器200於正常運作時，控制電路230不動作(inactivate)電源啟動控制信號Ctrh與Ctrl，且控制電路230分別提供參考電壓Vrp與Vrn至流入電壓產生器210與流出電壓產生器220。因此，流入電壓產生器210根據參考電壓Vrp產生流入電壓Vsk；流出電壓產生器220根據參考電壓Vrn產生流出電壓Vse。舉例來說，當參考電壓Vrp為1.5V時，流入電壓產生器210產生1.5V的流入電壓Vsk。同理，當參考電壓Vrn為1.8V時，流出電壓產生器220產生1.8V的流出電壓Vse。
另外，於電壓調整器200電源開啟後的暫態期間，控制電路230動作(activate)電源啟動控制信號Ctrh與Ctrl。此時，流入電壓產生器210暫時地將接地電壓GND作為流入電壓Vsk，並且流出電壓產生器220暫時地將電源電壓Vcc作為流出電壓Vse。
由以上的說明可知，於電壓調整器200電源開啟後的暫態期間，流入電壓產生器210內部的電晶體Mn1開啟(turn on)，使得接地電壓GND作為流入電壓Vsk。同時，流出電壓產生器220內部的電晶體Mp2開啟(turn on)，使得電源電壓Vcc作為流出電壓Vse。
再者，當電壓調整器200正常運作時，流入電壓產生器210內部的電晶體Mn1關閉(turn off)，運算放大器OP1與電晶體Mp1形成負回授連接，所以流入電壓Vsk等於參考電壓Vrp。同理，流出電壓產生器220內部的電晶體Mp2關閉(turn off)，運算放大器OP2與電晶體Mn2形成負回授連接，所以流出電壓Vse等於參考電壓Vrn。因此，當參考電壓Vrp為1.5V時，流入電壓Vsk也為1.5V；當參考電壓Vrn為1.8V時，流出電壓Vse也為1.8V。
請參照第3A圖與第3B圖，其所繪示為本發明控制電路以及相關信號示意圖。控制電路230中，電阻r1連接於電源電壓Vcc與節點c之間，電阻r2連接於節點c與節點d之間，電阻r3連接於節點d與接地電壓GND之間。因此，電阻r1、r2與r3串接於電源電壓Vcc與接地電壓GND之間並形成一分壓電路，使得節點c產生參考電壓Vrn，節點d產生參考電壓Vrp。
電晶體m1閘極連接至節點d，第一端連接至電源電壓Vcc。電阻r4連接於電晶體m1第二端與接地電壓GND之間。電晶體m2閘極連接至電晶體m1第二端，第一端連接至電源電壓Vcc。電阻r5連接於電晶體m2第二端與接地電壓GND之間。再者，電晶體m2的第二端產生電源啟動控制信號Ctrh。
電晶體m3閘極連接至節點c，第一端連接至接地電壓GND。電阻r6連接於電晶體m3第二端與電源電壓Vcc之間。電晶體m4閘極連接至電晶體m3第二端，第一端連接至接地電壓GND。電阻r7連接於電晶體m4第二端與電源電壓Vcc之間。再者，電晶體m4的第二端產生電源啟動控制信號Ctrl。
如第3B圖所示，於時間點t0，電壓調整器200電源開啟，電源電壓Vcc開始由0V上升至3.3V。
時間點t0至時間點t1之間為暫態期間，約為10ms~20ms。於暫態期間，電源電壓Vcc逐漸上升，節點c上的參考電壓Vrn與節點d上的參考電壓Vrp逐漸上升。此時，節點c的電壓尚無法開啟電晶體m3，且節點d的電壓尚無法開啟電晶體m1。
由於電晶體m3關閉，使得電晶體m4開啟，而電源啟動控制信號Ctrl為接地電壓GND(0V)，可視為低準位用以開啟流出電壓產生器220中的電晶體Mp2。同時，由於電晶體m1關閉，使得電晶體m2開啟，而電源啟動控制信號Ctrh為電源電壓Vcc，可視為高準位用以開啟流入電壓產生器210中的電晶體Mn1。
時間點t1之後電壓調整器200正常運作，節點c的電壓可開啟電晶體m3且節點d的電壓可開啟電晶體m1。由於電晶體m3開啟，使得電晶體m4關閉，而電源啟動控制信號Ctrl為電源電壓Vcc，可視為高準位用以關閉流出電壓產生器220中的電晶體Mp2。同時，由於電晶體m1開啟，使得電晶體m2關閉，而電源啟動控制信號Ctrh為接地電壓GND，可視為低準位用以關閉流入電壓產生器210中的電晶體Mn1。此時，根據參考電壓Vrn，流出電壓產生器220產生的流出電壓Vse約維持在1.8V。同時，根據參考電壓Vrp，流入電壓產生器210產生的流入電壓Vsk由0V開始逐漸上升至1.5V。
再者，本發明的電壓調整器200內的控制電路230、流入電壓產生器210與流出電壓產生器220的電路有可以經過適當的修改並達成本發明的目的。以下說明之。
請參照第4A圖，其所繪示為電壓調整器中流入電壓產生器的另一實施例。相較於第2圖之流入電壓產生器210，其差異在於運算放大器OP3與電晶體Mn3之間的連接關係。其他部分則與第2圖之流入電壓產生器210相同，不再贅述。
流入電壓產生器310中，運算放大器OP3負輸入端接收一參考電壓Vrp，正輸入端連接至一節點a。電晶體Mn3閘極連接至運算放大器OP3輸出端，第一端連接至節點a，第二端連接至接地電壓GND。如此，運算放大器OP3與電晶體Mn3形成負回授連接，所以流入電壓Vsk等於參考電壓Vrp。
請參照第4B圖，其所繪示為電壓調整器中流出電壓產生器的另一實施例。相較於第2圖之流出電壓產生器220，其差異在於運算放大器OP4與電晶體Mp3之間的連接關係。其他部分則與第2圖之流入電壓產生器220相同，不再贅述。
流出電壓產生器320中，運算放大器OP4負輸入端接收一參考電壓Vrn，正輸入端連接至一節點b。電晶體Mp3閘極連接至運算放大器OP4輸出端，第一端連接至節點b，第二端連接至電源電壓Vcc。如此，運算放大器OP4與電晶體Mp3形成負回授連接，所以流出電壓Vse等於參考電壓Vrn。
請參照第4C圖，其所繪示為電壓調整器中控制電路的另一實施例。控制電路330中包括一帶隙電路(band-gap circuit)332以及比較器CMP1、CMP2。帶隙電路332可以輸出準確的參考電壓Vrp、Vrn。再者，比較器CMP1的正輸入端接收參考電壓Vrp，負輸入端接收電源電壓Vcc，輸出端產生電源啟動控制信號Ctrh。另外，比較器CMP2的負輸入端接收參考電壓Vrn，正輸入端接收電源電壓Vcc，輸出端產生電源啟動控制信號Ctrl。
相同地，於電壓調整器200電源開啟後的暫態期間，控制電路330動作(activate)電源啟動控制信號Ctrh與Ctrl。因此，流入電壓產生器210或310的電晶體Mn1開啟，流入電壓產生器210或310暫時地將接地電壓GND作為流入電壓Vsk。同時，流出電壓產生器220或320的電晶體Mp2開啟，流出電壓產生器220或320暫時地將電源電壓Vcc作為流出電壓Vse。
另外，於電壓調整器200正常運作時，控制電路330不動作(inactivate)電源啟動控制信號Ctrh與Ctrl，且控制電路330分別提供參考電壓Vrp與Vrn至流入電壓產生器210或310與流出電壓產生器220或320。因此，流入電壓產生器210或330根據參考電壓Vrp產生流入電壓Vsk；流出電壓產生器220或320根據參考電壓Vrn產生流出電壓Vse。
基本上，本發明的電壓調整器可以搭配任一控制電路、流入電壓產生器與流出電壓產生器來產生流入電壓Vsk與流出電壓Vse。舉例來說，利用第3A圖的控制電路230搭配第4A圖的流入電壓產生器310以及第2圖的流出電壓產生器220，也可以產生流入電壓Vsk與流出電壓Vse。
綜上所述，本發明的優點在於提出一種電壓調整器供應流入電壓Vsk與流出電壓Vse至級聯輸出入電路。使得輸出入電路中的電晶體正常運作，不會超過其耐壓。
當然，本發明的實施例係以電源電壓Vcc為3.3V，電晶體的耐壓為1.8V為例來說明電壓調整器與輸出入電路之間的運作關係。在此領域的技術人員也可以經過修改而將本發明所揭露的技術運用於電源電壓為5.0V，電晶體耐壓為3.3V的電壓調整器與輸出入電路。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，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。
100‧‧‧輸出入電路
102‧‧‧上拉電路
104‧‧‧下拉電路
120‧‧‧輸出墊
200‧‧‧電壓調整器
210、310‧‧‧流入電壓產生器
220、320‧‧‧流出電壓產生器
230、330‧‧‧控制電路
第1圖為本發明運用於級聯輸出入電路(cascade I/O circuit)的電壓調整器示意圖。 第2圖為本發明電壓調整器示意圖。 第3A圖與第3B圖為本發明控制電路以及相關信號示意圖。 第4A圖為電壓調整器中流入電壓產生器的另一實施例。 第4B圖為電壓調整器中流出電壓產生器的另一實施例。 第4C圖為電壓調整器中控制電路的另一實施例。

Claims (9)

  1. 一種電壓調整器，連接至一輸出入電路，該電壓調整器包括： 一控制電路，產生一第一參考電壓、一第二參考電壓、一第一電源啟動控制信號與一第二電源啟動控制信號； 一流入電壓產生器，接收該第一參考電壓與該第一電源啟動控制信號；以及 一流出電壓產生器，接收該第二參考電壓與該第二電源啟動控制信號； 其中，於正常運作時，該控制電路不動作該第一電源啟動控制信號與該第二電源啟動控制信號，該流入電壓產生器根據該第一參考電壓產生一流入電壓，且該流出電壓產生器根據該第二參考電壓產生一流出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中該輸出入電路包括： 一上拉電路，接收一電源電壓與該流入電壓，使得該上拉電路內部的信號操作在該電源電壓與該流入電壓之間；以及 一下拉電路，接收該流出電壓與一接地電壓，使得該下拉電路內部的信號操作在該流出電壓與該接地電壓之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓調整器，其中該上拉電路包括：一第一P型電晶體與一第二P型電晶體，其中級聯連接的該第一P型電晶體與該第二P型電晶體連接於該電源電壓與一輸出墊之間，且該第一P型電晶體與該第二P型電晶體的閘極分別接收一第一閘極信號與一第二閘極信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓調整器，其中該下拉電路包括：一第一N型電晶體與一第二N型電晶體，其中級聯連接的該第一N型電晶體與該第二N型電晶體連接於該接地電壓與該輸出墊之間，且該第一N型電晶體與該第二N型電晶體的閘極分別接收一第三閘極信號與一第四閘極信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整器，其中於正常運作前的一暫態期間，該控制電路動作該第一電源啟動控制信號與該第二電源啟動控制信號，使得該流入電壓產生器將一接地電壓作為一流入電壓，且該流出電壓產生器將一電源電壓作為一流出電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中該流入電壓產生器包括： 一運算放大器，具有一第一端接收該第一參考電壓，一第二端連接至一節點a； 一第一電晶體，具有一閘極端連接至該運算放大器的一輸出端，一第一端連接至該節點a，一第二端接收該接地電壓； 一電容器，連接於該電源電壓與該節點a之間；以及 一第二電晶體，具有一閘極端接收該第一電源啟動控制信號，一第一端連接至該節點a，一第二端接收該接地電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中該流出電壓產生器包括： 一運算放大器，具有一第一端接收該第二參考電壓，一第二端連接至一節點b； 一第一電晶體，具有一閘極端連接至該運算放大器的一輸出端，一第一端連接至該節點b，一第二端接收該電源電壓； 一電容器，連接於該接地電壓與該節點b之間；以及 一第二電晶體，具有一閘極端接收該第二電源啟動控制信號，一第一端連接至該節點b，一第二端接收該電源電壓。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中該控制電路包括： 一帶隙電路，產生該第一參考電壓與該第二參考電壓； 一第一比較器，具有一第一端接收該電源電壓，一第二端接收該第一參考電壓，一輸出端產生該第一電源啟動控制信號；以及 一第二比較器，具有一第一端接收該電源電壓，一第二端接收該第二參考電壓，一輸出端產生該第二電源啟動控制信號。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調整器，其中該控制電路包括： 一第一電阻，連接於該電源電壓與一節點c之間； 一第二電阻，連接於該節點c與一節點d之間； 一第三電阻，連接於該節點d與該接地電壓之間，其中該節點d產生該第一參考電壓，且該節點c產生該第二參考電壓； 一第一電晶體，具有一閘極連接至該節點d，一第一端接收該電源電壓； 一第四電阻，連接於該第一電晶體的一第二端與該接地電壓之間； 一第二電晶體，具有一閘極連接至該第一電晶體的該第二端，一第一端接收該電源電壓； 一第五電阻，連接於該第二電晶體的一第二端與該接地電壓之間，其中該第二電晶體的該第二端產生該第一電源啟動控制信號； 一第三電晶體，具有一閘極連接至該節點c，一第一端接收該接地電壓； 一第六電阻，連接於該第三電晶體的一第二端與該電源電壓之間； 一第四電晶體，具有一閘極連接至該第三電晶體的該第二端，一第一端接收該接地電壓；以及 一第七電阻，連接於該第四電晶體的一第二端與該電源電壓之間，其中該第四電晶體的該第二端產生該第二電源啟動控制信號。
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