TW571513B

TW571513B - Level shifter with body-biased circuit

Info

Publication number: TW571513B
Application number: TW091124958A
Authority: TW
Inventors: Ming-Dou Ker; Wen-Hsia Kung; Ya-Hsiang Tai
Original assignee: Toppoly Optoelectronics Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-01-11
Also published as: US20040257327A1; JP2004145350A; US7123236B2; JP4162569B2

Description

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發明領域 —本發明為-種位階轉換器’係用於薄膜電晶體液晶顯發明背景薄膜電晶體液晶顯示器需要一種位階轉換器，將一輪入電壓轉換成一較高的輸出電壓，供驅動顯示器各元件。由於使用TFT製程，其電晶體之臨界電壓值大於傳統CM〇s 製私，因此而要一個偵測電路來偵測薄膜電晶體之臨界電壓，以避免輸入電壓過低導致位階轉換器無法正常工作。圖一為一驾知位階轉換器，如圖所示，位階轉換器之基本架構包含一個轉換電路32、一個第一偵測電路27及一第一偵測包路29。轉換電路32包含一對輸入電晶體（input transistor):第一電晶體2和第二電晶體4，及一對負載電晶體（load transistor):第三電晶體6和第四電晶體 8。第一债測電路27包含一第五電晶體1〇、一第一輸入端 18和一第一電流源14。第二偵測電路29包含一第六電晶體 12、第二輸入端20和一第二電流源16。第一輪入端18及第二輸入端2 0之輸入信號為一對互補信號。第五電晶體丨〇和第六電晶體1 2係用來偵測第一電晶體2及第二電晶體4之臨界電壓，破保第一電晶體2及第二電晶體4均操作於適當的工作區間，以完成位階轉換的任務。

57l5l3 五、發明說明（2) 圖二為另一習知位階轉換器，基本架構與圖一者相 ^ ’、不同處在於第三電晶體6及第四電晶體8之閘極的接線相式。圖二為另一習知位階轉換器，基本架構亦與圖一者由，’不同處在於圖三之習知多了一個第七電晶體13，藉弟七電晶體13，此種位階轉換器便不需第二輸入端2〇仍 J正常的工作。由於現今電子產 =工作頻率也必須跟奴2及笫一伋階轅总一电晶體4隨轉換器的體^迷度。換器有了方式，使源16)經二^路徑地端，員剥電晶體（生不必要的提供改善習知位轉換器；。於薄膜、有鬲速、低發明概述示器本：：為-種位有兩個輪：‘：：轉 ~尾晶體及品所需處理的資料量增加，各元件間著提高，但上述習知例中之第一電晶時皆處於導通狀態，嚴重影響了習知同時，由於第五電晶體1 0及第六電晶其功能如同二極體，因此習知位階轉由電流源（第一電流源14及第二電後苐五電晶體10及第六電晶體12)至接電源消耗。階轉換器之缺點，本發明的目的在於電晶體液晶顯示器之位階轉換器，^ 電壓輪入及減少電源消耗的優點。〜階轉換器，係用於薄膜電晶體液晶換電路及兩個偏壓電路。轉換電路^ 兩個負載電晶體，用來將輸入位階皁專 571513 五、發明說明（3) 換成輸出位階。偏壓電路具一端連接於轉換電路的輪入^，一輸入端及一輸出端，輸入基極（body)，可依據^入輪出端連接於輸入電晶體之體的臨界電壓，使其可工^ ^ =階之高低來調整輸入電晶情況下。同時由於偏壓電路，之核境及低電壓輸入的 , · t 1电路為靜態邏輯電路 (static-logic circuit)，, 損耗亦可減少此位階轉換器之直流發明詳細說明本發明為-種位階轉換器，係用於薄膜電晶體液晶顯示器’可將-輸入電壓值轉換成一較高之輸出電壓值，其包含一組偏壓電路，用來對輸入電晶體進行偏壓，藉以調整輸入電晶體之臨界電壓值，使此種位階轉換器能工作於低電壓、高頻的環境，並節省直流損耗。薄膜電晶體（thin film transistor)之臨界電壓值可由以下公式來表示：

^ =^〇+ziV57+^7-V^7J 其中，r與為半導體製程參數，VSB為源極（source)與基極之電壓差，VthQ為VSB = 0 V時之臨界電壓值，Vth為實際臨界電壓值。從以上公式得知，有兩種方式可降低薄膜電晶體的臨界電壓，一為控制半導體製程參數T與〇)f，一為

571513 五、發明說明（4)

控制源極與基極之電壓差V 善薄膜電晶體之臨界電=非，，要從半導體製程來改供-種偏壓電路，用困難的，因此，本發明提 ί ，祛iW币r 木控制薄膜電晶體臨界電壓值的大小使/、界電壓值可隨著輸入信號的改變而改變。本路及一轉換成電晶體 TFT)，基極，包含一電路分連接於值。發明之位階轉換器包含一伯广+ 第二偏麼電路。轉換電拉：換：路、一第一偏壓電 _ ^ ^ ^ _ 、電路係用來將一輸入電壓位階 ^ ^ ^ 包含兩個輸入電晶體及兩個負載 ;;:電晶體為n通道薄膜電晶體(n —Channel ^ # _ 、 ^(drain)、一閘極（gate)及一嗎電晶體為？通道薄膜電晶體（p-channel TFT)，

Si爾水一汲極及一閘極。第一偏壓電路及第二偏壓 :對兩個輪入電晶體之基極做偏壓，其輸出端輸入電晶體之基極，以調整輸人電晶體之臨界電壓

包含i::本發明之第一實施例，如圖所示，轉換電路g 晶體8，日日體2、第二電晶體4、第三電晶體6及第四電第二雷曰弟偏壓電路之輸入端34連接於第一輸入端18及極，第1 日體\之閘極’輪出端36連接於第-電晶體2之基電晶體門壓極電路A輪入端38連接於第二輸入端20及第一雷曰μ $極’輪出端40連接於第二電晶體4之基極，極連接二I及-第一私晶體4之源極接地，第一電晶體2之汲 ;第一電曰曰體6之汲極，第二電晶體4之汲極連接

571513 五、發明說明（5) _ 第四電晶體8之；:及極，篦二雷曰辨體6之汲極，笛一曰曰體6之閑極連接於第三電晶極，第電電晶體8之間極連接於第三電晶體6之問壓位及編一輸出端22,用彼此互補，。、弟一輸入端18與第二輸入端20之輸入信號 ^輸入立而18之化號為高準位（如5V)，即第二輸入 =斤之信號為低準位（如〇ν)時，信號通過第一偏壓電路26 弟一偏壓電路28，輸出至第一電晶體2及第二電晶體4之 ς δ ’使件第一電晶體2之基極電壓提高而第二電晶體4之二極電壓降低。根據上述之公式，第一電晶體2之臨界電壓會下降（例如從3· 5V降至2V)，第二電晶體4之臨界電壓會亡升（例如從2V升至3. 5V)，因此第一電晶體2之閘極電，南於臨界電壓且第二電晶體4之閘極電壓低於臨界電 ^ ’使得第一電晶體2導通且第二電晶體4關閉，此時轉換電路32的功能有如一個放大器（amplifier)，第一輸出端 22之輸出信號將會放大其第_輸入端18之輸入信號（例如輸出k號為12V)。相反的，當第一輸入端18之信號為低準位’即第二輸入端2 〇之信號為高準位時，第一電晶體2之臨界電壓提高且第二電晶體4之臨界電壓降低，使得第一電晶體2關閉且第二電晶體4導通，此時第一輸出端22之電壓被拉至低準位（與第一輸入端18之信號相同）。由上述可知’第一輸出端22之輸出信號與第一輸入端18之輸入信號

五、發明說明（6) 同相並放大一特定比例。基極；ί亦：：ΐ18:信；㉒高準位· ’第-電晶體2之偏壓電路2= 用之一基個極緩電/亦需為泰^ (職串器（buffer)或是兩個反相器' -個緩衝器或是兩= ^可知弟二偏愿電路28亦可為僅限於上述兩；= 接：但偏壓電路之結構並不能適用。 17 σ達成同樣功能之靜態邏輯電路均每施例相π二^ ^弟二實施例，其結構大致與圖四第一 :鉍例相同’不同處在於第三電晶體6之閘極連接於第四電晶體8之沒極，第四電晶體8之閘極之汲極，使其電路有第二於ψ Α山9/( ^ 弟一电曰日體6 奋浐彻，豆έ士堪| λ弟一輪出知24。圖六為本發明之第三只施例，其、纟σ構大致與第一實施例相同，唯一 =二電晶，之閑極及基極均連接於第 ^ ; 端40 ’而第二偏壓電路之輸入端38連接至第一電路入之二出 =此接法便：需第二輪入端2…匕電路可適用：僅有一種輸入#唬之衣置。第二實施例與第三實施操作分析與第-實施例無異，故不贅述。“虎狀心及入電晶ΐ i臨界電：轉ϊ:::工士迹偏壓電路來改變輸 571513 五、發明說明（7) 有所調整，因此本發明之位階轉換器不受低電壓輸入之限制，同時由於低電壓意味著信號位階切換的速度可以更快，因此亦可工作於高頻的環境下，且因為其偏壓電路為靜態邏輯電路，故無直流損耗，可節省電源。

第10頁 571513 圖式簡單說明圖一為一習知例之電路圖；圖二為另一習知例之電路圖；圖三為另一習知例之電路圖；圖四為本發明第一實施例之電路圖；圖五為本發明第二實施例之電路圖；圖六為本發明第三實施例之電路圖。圖式元件符號說明 2 第一電晶體 6 第三電晶體 10 第五電晶體 13 第七電晶體 16 第二電流源 20 第二 fm 入端 24 第二出端 27 第一偵測電路 29 第二偵測電路 32 轉換電路 36 第一偏壓電路之 4 第二電晶體 8第四電晶體 1 2第六電晶體 1 4 第一電流源 1 8第一輸入端 2 2第一輸出端 2 6第一偏壓電路 2 8 第二偏壓電路 30 電源 34 第一偏壓電路之輸入端 38第二偏壓電路之輸入端 40第二偏壓電路之輸出端

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Claims

7l5i3 ^、申請專利範圍 1. 種位階轉換器（1 e Ve 1 sh i f t er )，係用於薄膜電晶體吹晶顯示器（TFT-LCD)，包含：一轉換電路（shi ft circuit)，用以將一輸入電壓位白轉換成一輸出電壓位階，包含：一第一電晶體，包含一源極（s 〇 u r c e)、一汲極 (drain)、一閘極（gate)及一基極（b〇dy);以及一第二電晶體，包含一源極、一汲極、一閘極及一基極；一苐一偏壓電路（first bias circuit)，用以對該第一電晶體之該基極偏壓，包含一輸入端及一輸出端；以及一第二偏壓電路（second bias circuit)，用以對該第二電晶體之該基極偏壓，包含一輸入端及一輸出端；其中’該第一偏壓電路之該輸出端連接於該第一電晶體之該基極，該第二偏壓電路之該輸出端連接於該第二電晶體之該基極。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之位階轉換器，其中該第一電晶體及該第二電晶體為〆η通道薄膜電晶體（n-channel TFT)。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含：一第一輸入端，用以輸入該輸入電壓位階；一第二輸入端，用以輸入反相之該輸入電壓位階；

第12頁 571513 六、申請專利範圍一第三電晶體’係為一P通道薄膜電晶體（p_channel TFT)，包含一源極、一汲極及一閘極；以及一第四電晶體’係為一p通道薄膜電晶體（p — channel TFT)，包含一源極、一汲極及一閘極；其中’該第一偏壓電路之該輸入端連接於該第一電晶體之該閘極，該第二偏壓電路之該輸入端連接於該第二電晶體，，閘極，該第一電晶體及該第二電晶體之該源極接地’该第一電晶體之該閘極連接於該第一輸入端，該第一電晶體之該汲極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電晶體之該閘極連接於該第二輸入端，該第二電晶體之該沒極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該閘極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輸出該輸出電壓位階。 4.如申請專利範圍第2項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含：一第一輪入端，用以輸入該輸入電壓位階；一第二輸入端，用以輸入反相之該輸入電壓位階；一第三電晶體，係為通道薄膜電晶體，包含一源極、一〉及極及一閘極·，以及一第四電晶體，係為〆P通道薄膜電晶體，包含一源極、一沒極及一閘極；

571513 六、申請專利範圍 — 其中’該第一偏壓電路之該輸入端連接於該第一電晶體之該問極，該第二偏壓電路之該輸入端連接於該第二電晶體之，閘極，該第一電晶體及該第二電晶體之該源極接地’ e亥第一電晶體之該閘極連接於該第一輸入端，該第一電晶體之該汲極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電晶體之該閘極連接於該第二輪入端，該第二電晶體之該沒極連接於，第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於该第四電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於该第二電晶體之該汲極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輸出誃輪出電壓位階。 μ 5·如申請專利範圍第2項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含：、一輸入端，用以輸入該輪入電壓位階；一第三電晶體，係為一ρ通道薄膜電晶體，包含一極、一汲極及一閘極；以及匕3爾、一第四電晶體，係為一 Ρ通道薄膜電晶體，包含一源極、一汲極及一閘極；、其中，該第一偏壓電路及該第二偏壓電路之該輸入端 f接於該第一電晶體之該閘極，該第一電晶體及該第二電曰:體，，源極接地，該第一電晶體之該閘極連接於該輪入端’該第一電晶體之該汲極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電晶體之該閘極連接於該第二電晶體之該基 I!

I mi

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六、申請專利範圍極，該第二電晶體之該汲極連接於該第四電晶體之該没極，該第三電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該没極’該，四電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該間極，該f三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一雷源省第四電晶體之該汲極輪出該輸出電壓位階。其中包:3—:5,述之位階轉換器其中包 8含：種位階轉換器，係用於薄膜電晶體液晶顯示器，一轉換電路，用〗V 4玄_ +A ^ p-壓位階，包含： Λ將-輪入笔壓位階轉換成1出 -源極、-、【電θ曰體’係為〆η通道薄膜電晶體，今及極、一閘極及一基極；包含第二電晶體，係、一汲極、一閘為一η通道薄膜電晶體，一第三電晶體，係基極；包 -源極、-汲極及_閘⑯：/通逼辱膜電晶體’包含 ::!晶體’係為，通道薄膜電晶體，包含一源極、一汲極及一閘極；

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:Ϊ:Ϊ壓電路’用以對該第一電晶體之該基極偏匕，輸入端及一輸出端；以及二偏壓電路，用以對該第二電晶體之該基極偏 03 —輸入端及一輸出端；其中，該第體之該基極，該日日體之該基極。電晶 —Φ — 电一偏壓電路之該輸出端連接於該第一弟一偏壓電路之該輸出端連接於該第 •如申請專利範圍第8項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含： ^ 、一第一輸入端，用以輸入該輸入電壓位階；一第一輪入端，用以輸入反相之該輸入電壓位階；其中’該第一偏壓電路之該輸入端連接於該第一電晶體之該閘極，該第二偏壓電路之該輸入端連接於該第二電晶體之該閘極，該第一電晶體及該第二電晶體之該源極接地’該第一電晶體之該閘極連接於該第一輸入端，該第一電晶體之該汲極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電曰曰體之該閘極連接於該第二輸入端，該第二電晶體之該汲極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該閘極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該沒極輸出該輸出電昼位階。

第16頁 571513 六、申請專利範圍 1 0.如申請專利範圍第8項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含：一第一輸入端，用以輸入該輸入電壓位階；一第二輸入端，用以輸入反相之該輸入電壓位階；其中，該第一偏壓電路之該輸入端連接於該第一電晶體之該閘極，該第二偏壓電路之該輸入端連接於該第二電晶體之該閘極，該第一電晶體及該第二電晶體之該源極接地’該第一電晶體之該閘極連接於該第一輸入端，該第一電曰曰體之該沒極連接於該第三電晶體之該沒極，該第二電晶體之該閘極連接於該第二輸入端，該第二電晶體之該汲極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於該第四電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該汲極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輸出該輸出電壓位階。 11 ·如申請專利範圍第8項所述之位階轉換器，其中該轉換電路包含：、輪入端’用以輸入該輸入電壓位階；其中’該第一偏壓電路及該第二偏壓電路之該輸入端，接於該第一電晶體之該閘極，該第一電晶體及該第二電 =體，ΐ源極接地，該第一電晶體之該閘極連接於該輪入 g ’该ΐ 一電晶體之該汲極連接於該第三電晶體之該汲亟’该第二電晶體之該閘極連接於該第二電晶體之該基

第17頁 571513 六、申請專利範圍極，該第二電晶體之該汲極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該閘極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輸出該輸出電壓位階。 1 2 β如申請專利範圍第9、1 0或11項所述之位階轉換器，其中該第一偏壓電路包含一反相器。 1 3.如申請專利範圍第9、1 0或11項所述之位階轉換器，其中該第二偏壓電路包含一反相器。 1 4. 一種位階轉換器，係用於薄膜電晶體液晶顯示器，包含：一轉換電路，用以將一輸入電壓位階轉換成一輸出電壓位階，包含：一第一輸入端，用以輸入該輸入電壓位階；一第二輸入端，用以輸入反相之該輸入電壓位階；一第一電晶體，係為一 η通道薄膜電晶體，包含一源極、一没極、一閘極及一基極；一第二電晶體，係為一 η通道薄膜電晶體，包含一源極、一^及極、一^甲1極及一基極；一第三電晶體，係為一 Ρ通道薄膜電晶體，包含

第18頁 571513 六、申請專利範圍一源極一源極一第壓，包含沒極及一閘極；第四電晶體，係沒極及一閘極；偏壓電路，用以輸入端及一輸出一第二偏壓電路，用以壓包含一輸入端及一輸出其中，體之該閘極晶體之該閘電晶體之該二電晶體之輸入端，該該第一偏壓電路該第極，該基極，該基極第二電二偏壓電第一偏壓呑亥弟-一偏，該第一晶體之該以及為一 p通道薄膜電晶體，包含對該第一電晶體之該基極偏端；以及對該第二電晶體之該基極偏端；之該輸入端連接於該第一電晶路之該輸入端連接於該第二電電路之該輸出端連接於該第一壓電路之該輸出端連接於該第電晶體之該閘極連接於該第一閘極連接於該第二輸入端。 1 5·如申請專利範圍第丨4項所述之位階轉換器，其中該第一電晶體及該第二電晶體之該源極接地，該第一電晶體之該没極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電晶體之該汲極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該閘極連接於該第三電晶體之該汲極，該第四電晶體之該閘極連接於泫第三電晶體之該閘極，該第三電晶體及該第四電晶體之该源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輸出該輸出電壓位階。 1 6 ·如申請專利範圍第丨4項所述之位階轉換器，其中該第

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六、申請專利範圍一電晶體及該第二電晶體之該源極接地，該第一電晶體之該沒極連接於該第三電晶體之該汲極，該第二電晶=之該 >及極連接於該第四電晶體之該汲極，該第三電晶體之該^ 極連接於該第四電晶體之該汲極，該第四電晶體之該^極連接於該第三電晶體之該汲極，該第三電晶體及該第四電晶體之該源極連接於一電源，該第四電晶體之該汲極輪^ 該輸出電壓位階。 1 7·如申請專利範圍第i 5或1 6項所述之位階轉換器，其中該第一偏壓電路包含一反相器。 18·如申請專利範圍第15或16項所述之位階轉換器，其中該第二偏壓電路包含一反相器。

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