經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7 五、發明説明（I ) 本發明的拮術領域 本發明與CMOS積體電路有關，尤其相關於使用主動元件作為· 推動或栓鎖電路(pull-up or latch circuit)，並且適合作不同電壓介面 應用的CMOS雙向緩衝器。 本發明的枯術背景 在一般積體電路中，内部電路產生的信號是透過輸出緩衝器的 作用’ 塵轉"1"或"0"的信號’反應在輸出端(output terminal)或 銲墊(PAD)上的高電位或低電位。 最近，有關1C的消耗功率降低，已成為一個重要的課題。依目 前而言，主要的趨勢是由5V的工作電壓降到3_3V。而在一些特殊的 應用要求，亦有5V及12V電路間的介面使用情形出現，由於消耗功 率與工作電壓密切相關，所以如果工作電壓由5¥降為3 3V，那麼消 耗功率約省下40%(如由12V降為5V，則可省下消耗功率約6〇%)。在 目前5V及3.3V 1C同時會存在的過渡期間，系統上的設計，無可避 免的將同時使用到5V及3.3V的1C。例如，系統中的記憶體可能使用 3·3ν!電壓，而其又與工作在5V的電路共用匯流排(bus)。所以，為 了滿足這類不同電壓介面的應用，使得相關缓衝器電路陸續被提 出。 第一圖所示是為傳統的3.3V的雙向緩衝器1〇。這個電路包括輸 入緩衝器20及輸出緩衝器30。基於控制信號〇EN的邏輯值，這個雙 向緩衝1§可以作為輸入緩衝器使用(OENsT)，或作為輸出緩衝器 使用(OEN="〇")。在作為輸入使用時，由於pi ANw閘極電位分別 是VDD及VSS ’所以兩個電晶體都是關掉的。然而，一旦輸出端點 本紙狀度適用中國國家標(2— ) ---------訂 •'- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（2) 15接受一個5V的輸入信號時，便會造成兩個漏電路徑(如箭頭35及 40所圖示）。首先，電晶體P1的寄生二極體D1會變成正向偏壓而導 通電流。再者，由於P1的閘極(gate)到汲極(drain)電位差-1.7V，較 其臨界電壓小(threshold voltage，約為_〇.9V)，所以P1亦會導通電 流。因為輸入信號的灌入，使得兩個導電路徑出現，而且電流往 3.3V電壓源流動，所以將造成電路上的功能錯誤。 為了去除導電路徑40 ’ P1的N井區(N-well)必須接到5V的工作 電壓。不過，導電路徑35依然存在。除此之外，在ic中必須使用兩 個電壓源(如3.3V/5V或是5V/12V等），及一個連接pi n井區到外面 南電壓的鲜塾*都是主要的缺點。 如第二圖所示為第二個傳統的雙向緩衝器5〇(發表在 Microelectronics Journal, Vol. 23，No.8，1992，標題為"5V Compatibility with 3.3V only CMOS ASICs"，作者為Henderson及 Gal.)。在這個電路中，PMOS T1的N-well已如上述戶斤言的接到5V的 電壓源80，所以其寄生二極體不會有正向偏壓的情形出現。另外， NMOS電晶體T2及T4/T5亦分別用以降低丁3的>及極stress電壓及反相 器60的電晶體之閘極stress電壓。不過，這個電路依然如第一圖電路 10—樣，需要兩組電源及一個額外的銲墊。另外，亦會有丁〗漏電的 缺點。 第三圖所示是為另一個傳統的雙向緩衝器（美國專利 5,300,835^在這個電路2〇〇中，資料信號DO及控制信號OEN*都先 透過位準轉換器，使其高電位成為NVDD。兩個位準轉換器分別由 電晶趙266〜271及272〜277所組合而成。所以PMOS推動電晶體250在 輸入信號為NVDD的情形下，不再導通電流，因為此時其閘極電位 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -*
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請 先 Μ 讀 背
面 之 注
訂 經濟部中央標準局負工消費合作社印繁 A7 ; ____B7 五、發明説明（4 ) 本發明提出的缓衝H具有第-娜動電路，用以改變輸出端的 電位變化到VDD，而且是由佈局擺置在一個浮接辦區的兩個串接 PMOS電晶独成。另外，這賴衝n又具有第二娜動電路，用 以改變輸出端的電位變化到VSS。藉著上述浮接N井區的電路技 巧，使得本發明提出的緩衝器電路具有設計簡單、單一銲墊、單一 組電源以及沒有DC漏電等優點。 佈局擺置在浮接N井區的兩個串接PM〇s電晶體，其中第一個 PMOS電㈣的雜(s_e)翻VDD，&且錢度較帛二個讀^ 電aa體來彳寸大，第一個PMOS電晶艘的没極(drain)並且連接到輸出 端上。除此之外，緩衝器電路中的所有!>%〇3與_〇8電晶體在佈 局上藉著銲墊隔開來，並且加以雙圈防衛(d〇uWe guard ring)處理， 以加強栓鎖問題的防護能力。 在第二個實施例中，原先串接的兩個PMOS電晶體，改作為栓 鎖電路使用。而原先的兩個推動電路，則由兩個_〇8電晶體作推 挽式(push-pull)配置所取代。 在第三個實施例中，串接的PM0S作為栓鎖電路使用並且具有 中等推力強度。另外，兩個NMOS電晶體作為推挽式的推動電路， 而且具有大推力強度。此外，尚有一個強度很弱的_〇8作為電位 拉高元件(pull-up device)。在這個緩衝器電路中又具有一個上升緣 偵測器(rising edge detector)，用以啟動部份電路動作。 式簡要說明二 第一圖是為第一個傳統的雙向緩衝器。 第二圖是為第二個傳統的多電壓(multi-v〇itage)雙向緩衝器。 第二圖是為第三個傳統的多電麼(multi-voltage)雙向緩衝器。 ___-5- 本紙張尺度適用中國國家標隼（〔叫人4肋_(210/297公釐） '~~' 11 /叙------^ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標隼局員工消费合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（t ) Ϊ四，為第四個傳統的多電壓On泰讀age)雙向緩衝器。 2圖，依本發明多電壓雙向緩衝器電路的第—個實施例。 /、圖疋為依本發明多電壓雙向緩衝器電路的第二個實施例。 第七圖是為第二個實施例的另—種實現方法。 第八圖是為第-個實施例的另一種實現方式。 第九圖是為依本發明多電壓雙向緩_實_擬似雙向緩衝器電路 (quasi-bidirectional buffer) 〇 第十圖是為第五圖電路的模擬結果。 第~1 一囷是為第七圖電路的模擬結果。 發明說明 第五圖所不是為本發明多電壓雙向緩衝器電路300。這個電路 具有輸出緩衝器320 ’由推動電路pi，p2及Ni、預先推動電路N2、 P3、反及閘(NANDgate)330及反或閘(N〇Rgate)335等組成。另外， 匕亦具有輸入緩衝器310，由反相器355及靜電保護電阻Resd構成。 電bb趙P1及P2藉由浮接N井區連接，亦即此n井區並未連接到 固定的電仏。藉由如此的連接，兩個寄生的二極體D1(pi的源極到]^ 井區)及D2(P2汲極到N井區)如圖所示。 接下來，說明電路300的操作情形。首先，考慮EnaWe=1，亦 即此電路作為輸出使用。在這個情形下，P3關掉，而N2導通，所以 PU1=0，進而像得pi導通，並拉高節點tl(浮接N井區）的電位到 VDD(3.3Vh由於Enable=l ’所以反及閘與反或閘此時猶如反相 器。當輸出資料D=1時’控制信號PU及PD皆為’’〇，’，因此N1關掉， 而P1及P2皆打開’使得輸出端Q的電位變化到yqdq 3V)。相反 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 A7 , ________ B7 五、發明説明（t) 的’當輸出資料D=0時，控制信號piL^pD皆為”Γ，，因此朽關掉， 而Ν1打開，使得輸出端Q的電位變化到vSS(〇v)。 接著，考慮暫態操作情形。當輸出信號D由，，丨，，變化到，’〇”，控制信 號PU及PD由0”變化到，’丨”，使得N1打開，同時並使得p2開始關 掉。由於P2關掉而N1導通，所以輸出端q的電位一直變化到vss。 而當輸出信號D由’變化到”丨，’時，控制信號pu&pD由”丨，，變化 到〇 ’使ί于N1關掉’同時並使得p2開始導通。由於Ni關掉而， P2同時導通’所以輸出端q的電位一直變化到。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 為了確保電路正常工作，三個用以加強栓鎖免疫力的設計原則 加以說明如下。當輸出端Q的電位由VSS變化到VDD時，可能由兩 個充電路來達成。分別是透過P1及P2，以及透過di及P2兩種。 然而第二個充電路徑事實上，並不希望它會導通電流，因為將使得 D1成了順向偏壓’可能引起栓鎖問題。因此，為了杜絕導通， 可以選用P1為較大的電晶體強度，例如是為P2強度的3倍或4倍。由 於透過P1補充電荷的速度遠較由P2流出電荷的速度來得快，所以可 以有效維持tl的電位在VDD(3.3V)，亦即D1即使在輸出端Q電位變 化時，亦不會變成順向偏壓。除此之外，電路3〇〇中的pm〇S及 NMOS在佈局擺置上，利用銲塾加以隔開β而且，採用雙圈防衛佈 局技巧處理，藉以消除栓鎖問題發生的機會。 接下來，考慮Enable=0，亦即電路300此時作為輸入緩衝器使 用。在這個情形下，N2關掉，P3導通，PU是為3.3V以及PD是為 〇V。當由輸出蟪〇外灌進來的信號是為”0”(0V)，這個〇v的信號可 以維持在Q上，因為P2及N1皆為關掉。而當外灌進來的信號是 為”1”(5V)時，將使得P2導通，因為此時P2的閘極到汲極是為_ 1.7V(3.3V-5V)。由於P2導通，所以tl成了5V ’此時藉由P3的打開， 本紙張尺度適用中國國家棣準（CNS ) A4规格（2丨〇><297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7) 亦使得PU1得到5V。由於P1的閘極及汲極都是5V，因此ρι是為完 全關掉，亦即SV的電位可以維持在Q上，而且電壓源間 VCC)沒有任何的DC漏電流存在》 在第五圖的實施例中，P3可以佈局擺置在浮接N井區中，亦或 將P3的N井區連接到輸出端Q上。除此之外，N2的源極在第五圖是 為接地’然事實上，亦可連接到P2的閘極(PU)，如第八圖所示。 第六圖所示是為本發明的第二個實施例4〇〇。與第五圖相較 下，P1及P2不再作為推動電路，僅是栓鎖電路而已(；而_〇5電晶 體N3接受PU的反相信號，是為真正的上升推動電路。 當電路400輸出資料，T’(Enable=l) ’輸出端q首先靠N3充電到 (VDD-Vt) ’其中Vt是為N3的臨界電壓(threshold v〇ltage”這個高電 位使得反及閘430輸出低電位’進而打開p2。由於pi及P2同時導 通，最後使得輸出端Q電位拉高到VDD。在此同時，由於N3的端點 電壓皆為VDD，所以進入關掉狀態。由於p2受回授電壓q所控 制，因此Ρ1及Ρ2在此具有栓鎖電路作用。 而當電路400作為輸入使用時(Enable=〇)，Ν2關掉而且Ρ3導通。 如果外灌輸入是為，T’(5V)時，反及閘430輸出，，1，，(3.3V)。在這個情 形下，P2開始導通電流，因為它的閘極到汲極電位為_17V。藉著 P2的導通’使得節點tl得到5V。在此同時，P3亦將5V傳到P1的閘 極(PU1)。由於P1的閘極及汲極都是5V，所以P1是為完全關掉。亦 即5V的電位可0維持在Q上’而且沒有任何DC漏電流存在。而當外 灌輸入是為0V時’反及閘430的輸出亦為，’i”(3.3V)，使得P2完全關 掉，所以0V的輪入也可以維持在輪出端Q上。 尽紙浪尺度適用中國國家揉準（CNS) A4規格（210χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（y) 第七圖所示是為第六圖實施例的另一種實現方式，。在這個實施 例中，原先的反及閘430改由反相器450所取代。關於電路操作，由 於與第六圖相似，不再贅述。 第九圖所示是為依本發明多電壓雙向緩衝器實現的擬似雙向缓 衝器電路500。簡而言之，擬似雙向緩衝器無需傳統的輸出控制信 號，然其亦能提供輸出或是輸入的電路功能。與第七圖電路相較 下，增加了一個上升緣偵測器5〇5，以及控制電晶體N4、N5、^^6及 P3’。推動電路電晶趙犯（卩卜叫及州其強度分別是大強度、中強 度以及弱強度，例如是1〇〇倍、1〇倍及丨倍的比例。 在電路500中，N4是為電位拉高元件，而N3是為暫態推動電路 (transient pull-up circuit)，兩者皆可使得輸出端得到vj^vt的電 位。N3的控制來自一個單擊式(〇ne_sh〇t)的信號，而且此單擊信號具 有特定信號寬度。與第七圖相同的，1>1及?2作為栓鎖電路來使用。 接下來，首先考慮電路5〇〇作為輸出使用，而且輸出資料”Γ。 首先’ Ν3受PU的反相信號(單擊式信號)所打開，進而對Q充電，使 其電位達到VDD-Vt。由於控制信號PD=〇，所以Ν4此時亦為導通。 在此同時，透過上升緣偵測器5〇5產生了第二個單擊式信號(信號寬 度不大）’使得Ν6在一段短暫的時間内，針對節點ρυι.’作放電，接 著透過N5的偏壓作用，使得P1變成了導通…旦第一個單擊信號回 到0V，使得N3先關掉。由於此時輸出端q電位為乂^^·%，所以使 得反相器550輸出’所以卩丨及打在此時同時打開，最後使得q的 電位又上升到VDD。一旦Q變化到vdd後，N4又被關掉了。當輪出 資料為時，控制信號PD=1，使得N1導通，而且反相器550輸 出1 (3.3V) ’使得P2完全關掉，因此輸出端q電位變化到〇v。 本紙張尺度適用中國國家搞CNS ) A4規格（210·χ297公釐） 1.1^ -- (请先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -rl. A7 ------ - B7_ 五、發明説明（巧） 丄在這個電路中，第—個大信號寬度的單擊信號亦為—個輸出控 制信號。亦即’當此單擊信號結束變化後(回到〇V)，電路5⑻接下 來可作為輸入使用抑或繼續輸出下一個資料。其作為輪入使用的原 因在於，只有中等強度的P卜P2導通’用以維持輸出蠕Q3 3V的電 位，而且N3及N4都是關掉的。 當外灌輸入是為0V，使得反相器輸出高電位p.3V)，所以1>2開 始關掉，使得q可以維持在〇v電位。而當外灌信號是為5¥時，使得 反相器輸出0V的低電位，所以P2導通’並拉高tl的電位到5V。另 外’ P3’亦同時導通(閘極到汲極為-uv) ’使得Pm，亦為5V。由於 P1的閘極及沒極皆為5V，所以P1是為完全關掉。亦即，5V的電位 可以維持在Q上’而且沒有任何DC的漏電流。在這個情形下， 為關掉。另外，二極體D1都維持在反向偏壓的狀態下。 第十圖及第十圖一分別是第五圖及第七圖電路的模擬結果。在 這兩個例子中，P1的強度採P2的3倍大設計。由模擬的結果觀之， 浮接N井區的電位非常接近3.3V(當輸出使用時），因此如此的設計確 實達到不同電壓介面應用的要求外’亦能排除检鎖問題發生的可 能。 最後，上述所列的討論僅用以說明本發明的工作原理β許多不 同的實施例’可由一般技藝之人士修改而得，然其皆不脫離本發明 的精神以及所申請的專利範圍。 _______· 10- 中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印11