TWI511450B - 開關電路 - Google Patents

Description

開關電路

本發明係有關於一種電子電路，且特別是有關於一種開關電路。

電子產品已經成為現代人生活中不可或缺的一部份。在各式各樣的電子裝置中，需要可應用在這些裝置中的半導體組件。半導體組件的特性主要是由製備該組件的製程來決定。由於半導體組件通常較複雜，則其製程亦變化較多。半導體組件中需要多種具有不同特性的電晶體。

於一些半導體製造技術中，可製造出具有可承受高壓的源極與汲極，而閘極僅能承受較小電壓(如5伏特)的金氧半電晶體。然而以此方式設計的金氧半電晶體，於實際電路應用上存在許多限制，而有待進一步改進。

本發明內容之一技術態樣係關於一種開關電路。前述開關電路包含第一非對稱金氧半電晶體、第二非對稱金氧半電晶體、第一二極體串以及第二二極體串。前述第一非對稱金氧半電晶體包含第一端、第二端以及控制端，前述第一非對稱金氧半電晶體之前述第一端用以接收第一電位。前述第二非對稱金氧半電晶體包含第一端、第二端以及控制端，前述第二非對稱金氧半電晶體之前述第一端用 以接收前述第一電位，前述第二非對稱金氧半電晶體之前述第二端與前述第一非對稱金氧半電晶體之前述第二端電性耦接於一第一共同端點。

此外，前述第一二極體串係由複數個二極體串聯而成，前述第一二極體串包含第一端以及第二端，前述第一二極體串之前述第一端電性耦接於前述第一非對稱金氧半電晶體之前述控制端，而前述第一二極體串之前述第二端電性耦接於前述第一共同端點。第二二極體串係由複數個二極體串聯而成，前述第二二極體串包含第一端以及第二端，前述第二二極體串之前述第一端電性耦接於前述第二非對稱金氧半電晶體之前述控制端，而前述第二二極體串之前述第二端電性耦接於前述第一共同端點。

根據本發明一實施例，開關電路更包含電流控制電路，其包含二輸出端點，分別電性耦接於前述第一非對稱金氧半電晶體之前述控制端以及前述第二非對稱金氧半電晶體之前述控制端，並分別輸出第一控制電流與第二控制電流至相應的前述控制端。

根據本發明另一實施例，前述電流控制電路之前述輸出端點，在一特定時間內分別輸出前述第一控制電流與前述第二控制電流至相應的前述控制端。

根據本發明再一實施例，前述特定時間小於約20奈秒。

根據本發明又一實施例，前述開關電路中前述電流控制電路包含電流鏡、P型金氧半電晶體以及峰值電流控制 支路。前述電流鏡包含第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路，前述第一電流支路、前述第二電流支路以及前述第三電流支路之一端電性耦接於一第二共同端點，前述第二共同端點用以接收一第二電位，而前述第二電流支路以及前述第三電流支路之另一端分別電性耦接於前述輸出端點。前述P型金氧半電晶體包含控制端以及第一端，前述控制端用以接收一參考電壓，前述第一端電性耦接於前述電流鏡之前述第一電流支路。

進一步而言，前述峰值電流控制支路包含電容、電阻及控制N型金氧半電晶體。前述電容包含第一端，前述第一端用以接收開關信號。前述電阻包含第一端以及第二端，前述第一端電性耦接於前述電容之前述第二端，前述第二端用以接收一第三電位。前述控制N型金氧半電晶體包含控制端以及第二端，前述控制端電性耦接於前述電容之前述第二端，前述第二端電性耦接於前述P型金氧半電晶體之一第二端。

根據本發明另再一實施例，前述峰值電流控制支路之前述電阻會對前述電容的前述第二端進行放電。

根據本發明另又一實施例，前述第二電位為一正電位，而前述第三電位小於前述第二電位。

根據本發明再另一實施例，前述開關電路中前述電流控制電路包含電流鏡、N型金氧半電晶體以及峰值電流控制支路。前述電流鏡包含第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路，前述第一電流支路、前述第二電流支路 以及前述第三電流支路之一端電性耦接於第二共同端點，前述第二共同端點用以接收第二電位，而前述第二電流支路以及前述第三電流支路之另一端分別電性耦接於前述輸出端點。前述N型金氧半電晶體包含控制端以及第一端，前述控制端用以接收參考電壓，前述第一端電性耦接於前述電流鏡之前述第一電流支路。

進一步而言，前述峰值電流控制支路包含電容、電阻以及控制P型金氧半電晶體。前述電容包含第一端，前述第一端用以接收開關信號。前述電阻包含第一端以及第二端，前述第一端電性耦接於前述電容之前述第二端，前述第二端用以接收第三電位。前述控制P型金氧半電晶體包含控制端以及第二端，前述控制端電性耦接於前述電容之前述第二端，前述第二端電性耦接於前述N型金氧半電晶體之第二端。

根據本發明再又一實施例，前述峰值電流控制支路之前述電阻會對前述電容的前述第二端進行充電。

根據本發明又另一實施例，前述第二電位為一負電位，而前述第三電位大於前述第二電位。

因此，根據本發明之技術內容，本發明實施例提供一種開關電路，其中包含兩個非對稱金氧半電晶體結構，藉由本發明設計之配置方式，以使開關電路之整體電性操作相似於對稱金氧半電晶體結構，藉以改善閘極僅能承受較小電壓的金氧半電晶體，於實際電路應用上存在許多限制的問題。

為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。

其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。

另外，關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。

第1圖係依照本發明一實施例繪示一種開關電路的示意圖。如第1圖所示，開關電路100包含第一非對稱金氧半電晶體MN2、第二非對稱金氧半電晶體MN3、第一二極體串112以及第二二極體串114。第一非對稱金氧半電晶體MN2包含第一端、第二端以及控制端，第一非對稱金氧半電晶體MN2之第一端用以接收第一電位VDD。第二非對稱金氧半電晶體MN3包含第一端、第二端以及控制端，第二非對稱金氧半電晶體MN3之第一端用以接收第一電位，第二非對稱金氧半電晶體MN3之第二端與第一非對稱 金氧半電晶體MN2之第二端電性耦接於第一共同端點N1。

此外，第一二極體串112係由複數個二極體串聯而成，其包含第一端以及第二端。第一二極體串112之第一端電性耦接於第一非對稱金氧半電晶體MN2之控制端，而第一二極體串112之第二端電性耦接於第一共同端點N1。第二二極體串114係由複數個二極體串聯而成，其包含第一端以及第二端。第二二極體串114之第一端電性耦接於第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端，而第二二極體串114之第二端電性耦接於第一共同端點N1。

如上述揭露內容，本發明實施例藉由提供一種開關電路100，其中包含兩個非對稱金氧半電晶體結構MN2、MN3，藉由本發明設計之配置方式，以使開關電路100之整體電性操作相似於對稱金氧半電晶體結構，藉以改善閘極僅能承受較小電壓的金氧半電晶體，於實際電路應用上存在許多限制的問題。

在一實施例，開關電路100更包含電流控制電路120，其包含二輸出端點OUT1、OUT2，分別電性耦接於第一非對稱金氧半電晶體MN2之控制端以及第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端，並分別輸出第一控制電流與第二控制電流至相應的控制端。

舉例而言，電流控制電路120之輸出端點OUT1、OUT2，在一特定時間內分別輸出第一控制電流與第二控制電流至相應的控制端。詳細而言，特定時間小於約20奈秒。然而，本實施例並非用以限定本發明，熟習此技藝者 當可選擇性地採用適當之參數，而其概念與本發明相同者，即落入本發明之範圍中。

在又一實施例中，開關電路100中電流控制電路120包含電流鏡122、P型金氧半電晶體MP2以及峰值電流控制支路124。電流鏡122包含第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路，P型金氧半電晶體MP1、MP3以及MP4分別位於前述支路上。第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路之一端電性耦接於共同端點N2，其係用以接收第二電位VGH，而第二電流支路以及第三電流支路之另一端分別電性耦接於輸出端點OUT1、OUT2。P型金氧半電晶體MP2包含控制端以及第一端，控制端用以接收參考電壓VM，第一端電性耦接於電流鏡122之第一電流支路。

於一實施例中，當電流控制電路120中電流鏡122之第一支路產生一電流時，第二電流支路以及第三電流支路會相應地產生第一控制電流與第二控制電流，並分別經由輸出端點輸出至第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端，此時，第一二極體串112與第二二極體串114會相應地產生控制電壓，藉使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端與第二端間的電壓Vgs維持在一固定電壓範圍區間，從而使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3維持在導通狀態。舉例而言，前述固定電壓範圍區間可為約閥值電壓(Vth)至約5伏特之間。 然而，本實施例並非用以限定本發明，熟習此技藝者當可選擇性地採用適當之參數，而其概念與本發明相同者，即落入本發明之範圍中。

進一步而言，前述峰值電流控制支路124包含電容C1、電阻R1及控制N型金氧半電晶體MN1。前述電容C1包含第一端，其係用以接收開關信號VIN。電阻R1包含第一端以及第二端，其第一端電性耦接於電容C1之第二端，而其第二端用以接收第三電位VSS。控制N型金氧半電晶體MN1包含控制端以及第二端，控制端電性耦接於電容C1之第二端，而其第二端電性耦接於P型金氧半電晶體MP1之第二端。

於一實施例中，當開關信號為高態時，電容C1之第一端接收到開關信號後，會耦合一電壓至控制N型金氧半電晶體MN1之控制端，藉使控制N型金氧半電晶體MN1導通，此時，電流控制電路120中電流鏡122之第一支路產生一電流時，第二電流支路以及第三電流支路會相應地產生第一控制電流與第二控制電流，並分別經由輸出端點輸出至第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端。

此時，第一二極體串112與第二二極體串114會相應地產生控制電壓，藉使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端與第二端間的電壓Vgs維持在一固定電壓範圍區間，從而使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3維持 在導通狀態。舉例而言，前述固定電壓範圍區間可為大於約閥值電壓(Vth)至約5伏特之間。然而，本實施例並非用以限定本發明，熟習此技藝者當可選擇性地採用適當之參數，而其概念與本發明相同者，即落入本發明之範圍中。

再者，當上述電流衍生出迅速建立電壓Vgs之效果後，電流控制電路120中峰值電流控制支路124之電阻R1會對電容C1的第二端進行放電，從而關閉控制N型金氧半電晶體MN1，此時，上述電流也將一併消失，是以於迅速建立電壓Vgs之後，由於控制N型金氧半電晶體MN1被關閉，電流控制電路120上將不會有無謂的電能耗損。

在又一實施例中，第二電位VGH可為正電位，而第三電位VSS小於第二電位VGH。在一實施例中，第三電位VSS可為接地電位。

於再一實施例中，開關電路100中電流控制電路120包含電流鏡126、N型金氧半電晶體MN4以及峰值電流控制支路128。電流鏡126包含第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路，N型金氧半電晶體MN5、MN6以及MN7分別位於前述支路上。第一電流支路、第二電流支路以及第三電流支路之一端電性耦接於共同端點N3，其係用以接收第二電位VEE，而第二電流支路以及第三電流支路之另一端分別電性耦接於輸出端點OUT3、OUT4。N型金氧半電晶體MN4包含控制端以及第一端，控制端用以接收參考電壓VM，第一端電性耦接於電流鏡126之第一電流支路。

於一實施例中，當電流控制電路120中電流鏡126之第一支路產生一電流時，第二電流支路以及第三電流支路會相應地產生第三控制電流與第四控制電流，以汲取第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端的電壓，將第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端的電壓降低，此時，第一二極體串112與第二二極體串114的控制電壓降低，藉使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端與第二端間的電壓Vgs降低，從而使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3關閉。

進一步而言，前述峰值電流控制支路128包含電容C1、電阻R1以及控制P型金氧半電晶體MP5。電容C1包含第一端，其係用以接收開關信號VIN。電阻R1包含第一端以及第二端，其第一端電性耦接於電容C1之第二端，而其第二端用以接收第三電位VSS。控制P型金氧半電晶體MP5包含控制端以及第二端，控制端電性耦接於電容C1之第二端，而其第二端電性耦接於N型金氧半電晶體MN4之第二端。

於一實施例中，當開關信號為低態時，電容C1之第一端接收到開關信號後，會耦合一電壓至控制P型金氧半電晶體MP5之控制端，藉使控制P型金氧半電晶體MP5導通，此時，電流控制電路120中電流鏡126之第一支路產生一電流時，第二電流支路以及第三電流支路會相應地產 生第三控制電流與第四控制電流，以汲取第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端的電壓，將第一非對稱金氧半電晶體MN2與第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端的電壓降低。

此時，第一二極體串112與第二二極體串114的控制電壓降低，藉使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3之控制端與第二端間的電壓Vgs降低，從而使第一非對稱金氧半電晶體MN2以及第二非對稱金氧半電晶體MN3關閉。

再者，當上述電流衍生出迅速降低電壓Vgs之效果後，電流控制電路120中峰值電流控制支路124之電阻R1會對電容C1的第二端進行充電，從而關閉控制P型金氧半電晶體MP5，此時，上述電流也將一併消失，是以於迅速降低電壓Vgs之後，由於控制P型金氧半電晶體MP5被關閉，電流控制電路120上將不會有無謂的電能耗損。

在又一實施例中，第二電位VEE為一負電位，而第三電位VSS大於第二電位VEE。在一實施例中，第三電位VSS可為接地電位。

由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點。本發明實施例藉由提供一種開關電路，其中包含兩個非對稱金氧半電晶體結構，藉由本發明設計之配置方式，以使開關電路之整體電性操作相似於對稱金氧半電晶體結構，藉以改善閘極僅能承受較小電壓的金氧半電晶體，於實際電路應用上存在許多限制的問題。

此外，藉由本發明實施例之電流控制電路中不同的峰值電流控制支路，可於一種電性操作方式下，迅速建立第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體之控制端與第二端間的電壓Vgs，以使第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體導通，並可於另一種電性操作方式下，迅速降低第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體之控制端與第二端間的電壓Vgs，以關閉第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體。

再者，於迅速建立第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體之控制端與第二端間的電壓Vgs，或迅速降低第一非對稱金氧半電晶體以及第二非對稱金氧半電晶體之控制端與第二端間的電壓Vgs之後，由於電流控制電路中峰值電流控制支路之控制金氧半電晶體會被關閉，因此，電流控制電路上將不會有無謂的電能耗損。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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‧‧‧開關電路

112‧‧‧第一二極體串

114‧‧‧第二二極體串

120‧‧‧電流控制電路

122‧‧‧電流鏡

124‧‧‧峰值電流控制支路

126‧‧‧電流鏡

128‧‧‧峰值電流控制支路

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種開關電路之 示意圖。

100‧‧‧開關電路

112‧‧‧第一二極體串

114‧‧‧第二二極體串

120‧‧‧電流控制電路

122‧‧‧電流鏡

124‧‧‧峰值電流控制支路

126‧‧‧電流鏡

128‧‧‧峰值電流控制支路

Claims (10)

1. 一種開關電路，包含：一第一電壓非對稱金氧半電晶體(asymmetric MOS)，包含一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一電壓非對稱金氧半電晶體之該第一端用以接收一第一電位；一第二電壓非對稱金氧半電晶體，包含一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第二電壓非對稱金氧半電晶體之該第一端用以接收該第一電位，該第二電壓非對稱金氧半電晶體之該第二端與該第一電壓非對稱金氧半電晶體之該第二端電性耦接於一第一共同端點；一第一二極體串，係由複數個二極體串聯而成，其中該第一二極體串包含一第一端以及一第二端，該第一二極體串之該第一端電性耦接於該第一電壓非對稱金氧半電晶體之該控制端，而該第一二極體串之該第二端電性耦接於該第一共同端點；以及一第二二極體串，係由複數個二極體串聯而成，其中該第二二極體串包含一第一端以及一第二端，該第二二極體串之該第一端電性耦接於該第二電壓非對稱金氧半電晶體之該控制端，而該第二二極體串之該第二端電性耦接於該第一共同端點。
2. 如請求項1所述之開關電路，更包含一電流控制電路，其中該電流控制電路包含二輸出端點，分別電性耦接於該第一電壓非對稱金氧半電晶體之該控制端以及該第 二電壓非對稱金氧半電晶體之該控制端，並分別輸出一第一控制電流與一第二控制電流至相應的該控制端。
3. 如請求項2所述之開關電路，其中該電流控制電路之該些輸出端點，在一特定時間內分別輸出該第一控制電流與該第二控制電流至相應的該控制端。
4. 如請求項3所述之開關電路，其中該特定時間小於約20奈秒。
5. 如請求項2所述之開關電路，其中該電流控制電路包含：一電流鏡，包含一第一電流支路、一第二電流支路以及一第三電流支路，其中該第一電流支路、該第二電流支路以及該第三電流支路之一端電性耦接於一第二共同端點，該第二共同端點用以接收一第二電位，而該第二電流支路以及該第三電流支路之另一端分別電性耦接於該些輸出端點；一P型金氧半電晶體，包含一控制端以及一第一端，其中該控制端用以接收一參考電壓，該第一端電性耦接於該電流鏡之該第一電流支路；一峰值電流控制支路，包含：一電容，包含一第一端，其中該第一端用以接收一開關信號； 一電阻，包含一第一端以及一第二端，其中該第一端電性耦接於該電容之該第二端，該第二端用以接收一第三電位；以及一控制N型金氧半電晶體，包含一控制端以及一第二端，其中該控制端電性耦接於該電容之該第二端，該第二端電性耦接於該P型金氧半電晶體之一第二端。
6. 如請求項5所述之開關電路，其中該峰值電流控制支路之該電阻會對該電容的該第二端進行放電。
7. 如請求項5所述之開關電路，其中該第二電位為一正電位，而該第三電位小於該第二電位。
8. 如請求項2所述之開關電路，其中該電流控制電路包含：一電流鏡，包含一第一電流支路、一第二電流支路以及一第三電流支路，其中該第一電流支路、該第二電流支路以及該第三電流支路之一端電性耦接於一第二共同端點，該第二共同端點用以接收一第二電位，而該第二電流支路以及該第三電流支路之另一端分別電性耦接於該些輸出端點；一N型金氧半電晶體，包含一控制端以及一第一端，其中該控制端用以接收一參考電壓，該第一端電性耦接於 該電流鏡之該第一電流支路；一峰值電流控制支路，包含：一電容，包含一第一端，其中該第一端用以接收一開關信號；一電阻，包含一第一端以及一第二端，其中該第一端電性耦接於該電容之該第二端，該第二端用以接收一第三電位；以及一控制P型金氧半電晶體，包含一控制端以及一第二端，其中該控制端電性耦接於該電容之該第二端，該第二端電性耦接於該N型金氧半電晶體之一第二端。
9. 如請求項8所述之開關電路，其中該峰值電流控制支路之該電阻會對該電容的該第二端進行充電。
10. 如請求項8所述之開關電路，其中該第二電位為一負電位，而該第三電位大於該第二電位。