TWI584596B - 轉壓器 - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0175—Coupling arrangements; Interface arrangements
    • H03K19/0185—Coupling arrangements; Interface arrangements using field effect transistors only
    • H03K19/018507—Interface arrangements

Description

轉壓器
本發明係有關一種介面電路(interface circuit)，尤指介面電路中的一種轉壓器。
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(interface circuit)中的重要構築方塊。譬如說，在IC晶片中，將特定的信號由核心電壓(core voltage)的信號範圍轉換至輸出入電壓(IO voltage)的信號範圍。基本上，核心電壓的信號範圍可以是0到1.5伏特，而輸出入電壓的信號範圍為0到3.3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3.3伏特的輸出信號。
請參考第1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VDDL至GND的輸入信號IN轉為信號範圍在電壓VDDH至GND間的輸出信號OUT。其中，電源電壓VDDL可為例如1.5伏特，電源電壓VDDH可為例如3.3伏特，接地電壓GND為0伏特，其中，電源電壓VDDH大於電源電壓VDDL，且電源電壓VDDL大於接地電壓GND。
轉壓器10包括一P型電晶體MP1、P型電晶體MP2、N型電晶體MN1與N型電晶體MN2，其中，P型電晶體MP1的源極連接至電源電壓VDDH，汲極連接至節點a，以及閘極連接至節點b。P型電晶體MP2源極連接至電源電壓VDDH，汲極連接至節點b，以及閘極連接至節點a。
再者，N型電晶體MN1汲極連接至節點a，源極連接至接地電壓GND，以及閘極接收輸入信號IN。N型電晶體MN2汲極連接至節點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，節點a更做為第一輸出端，用以產生反相的輸出信號OUTB，以及節點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伏特且反相的輸入信號INB為0伏特時，N型電晶體MN1與P型電晶體MP2為開啟(turn on)，N型電晶體MN2與P型電晶體MP1為關閉(turn off)。因此，輸出信號OUT為3.3伏特的電源電壓VDDH，反相的輸出信號OUTB為0伏特的接地電壓GND。
當轉壓器10的輸入信號IN為0伏特且反相的輸入信號INB為1.5伏特時，N型電晶體MN1與P型電晶體MP2為關閉(turn off)，N型電晶體MN2與P型電晶體MP1為開啟(turn on)。因此，輸出信號OUT為0伏特的接地電壓GND，以及反相的輸出信號OUTB為3.3伏特的電源電壓VDDH。
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，一第二閘極接收一反相的輸入信號，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一反相的輸出信號，且該第二節點係作為一第二輸出端以產生該輸出信號；一第一電流鏡連接至該第二電源電壓，其中該第一電流鏡具有一第一電流輸入端連接至一第三節點，以及一第一電流鏡射端連接至該第一節點；一第一電流路徑控制電路，連接至該第三節點與該第一電源電壓之間，根據該反相的輸入信號與該輸出信號來動作；一第二電流鏡連接至該第二電源電壓，其中該第二電流鏡具有一第二電流輸入端連接至一第四節點，以及一第二電流鏡射端連接至該第二節點；以及一第二電流路徑控制電路，連接至該第四節點與該第一電源電壓之間，根據該輸入信號與該反相的輸出信號來動作。
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、20‧‧‧轉壓器
21‧‧‧反相器
22、24‧‧‧電流鏡
26、28‧‧‧電流路徑控制電路
MN1~MN6‧‧‧N型電晶體
MP1~MP6‧‧‧P型電晶體
第1圖所繪示的是習知轉壓器。
第2圖所繪示為本發明的轉壓器。
第3圖所繪示為本發明轉壓器的相關信號示意圖。
為了讓IC晶片的運算速度更快、更省電，IC晶片中的核心電壓越來越低。而本發明提出的轉壓器以在核心電壓範圍為0到0.7伏特時仍舊能夠正常運作。
請參考第2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VDDL至VSS的輸入信號IN轉為信號範圍在電壓VDDH至VSS間的輸出信號OUT。其中，電源電壓VDDL可為例如0.7伏特，電源電壓VDDH可為例如3.3伏特，電源電壓VSS可為例如0伏特；亦即電源電壓VDDH大於電源電壓VDDL，且電源電壓VDDL大於電源電壓VSS。
轉壓器20包括P型電晶體MP1、P型電晶體MP2、N型電晶體MN1、N型電晶體MN2、電流鏡22與24、以及電流路徑控制電路26與28。另外，操作於電源電壓VDDL與電源電壓VSS之間的一反相器21，其輸入端接收輸入信號IN，其輸出端產生反相的輸入信號INB。
轉壓器20中，P型電晶體MP1源極連接至電源電壓VDDH；汲極連接至節點a；閘極連接至節點b。P型電晶體MP2源極連接至電源電壓VDDH；汲極連接至節點b；閘極連接至節點a。
再者，N型電晶體MN1汲極連接至節點a；源極連接至電源電壓VSS；閘極接收輸入信號IN。N型電晶體MN2汲極連接至節點b；源極連接至電源電壓VSS；閘極接收反相的輸入信號INB。其中，節點a更做為第一輸出端，產生反相的輸出信號OUTB；節點b更做為第二輸出端，產生輸出信號OUT。
電流鏡22連接於電源電壓VDDH，且電流鏡22包括一電流輸入端(current inputting terminal)連接於節點c以及一電流鏡射端(current mirroring terminal)連接於節點a。另外，電流鏡24連接於電源電壓VDDH，且電流鏡24包括一電流輸入端連接於節點d以及一電流鏡射端連接於節點b。
電流路徑控制電路(current path control circuit)26包括串接於節點c與電源電壓VSS之間的二個N型電晶體MN3與MN4，N型電晶體MN3的閘極接收反相的輸入信號INB，N型電晶體MN4的閘極接收輸出信號OUT。另外，電流路徑控制電路28包括串接於節點d與電源電壓VSS之間的二個N型電晶體MN5與MN6，N型電晶體MN5的閘極接收輸入信號IN，N型電晶體MN6的閘極接收反相的輸出信號OUTB。
請參照第3圖，其所繪示為本發明轉壓器的相關信號示意圖。於時間點t1，轉壓器20的輸入信號IN由0伏特變為0.7伏特，N型電晶體MN1開啟(turn on)且N型電晶體MN2關閉(turn off)。
於時間點t1至時間點t2為第一暫態期間(transient period)。於第一暫態期間的初期，輸入信號IN為0.7伏特且反相的輸出信號OUTB為3.3伏特，使得電流路徑控制電路28動作 (activate)。同時，於第一暫態期間，由於反相的輸入信號INB為0伏特，使得電流路徑控制電路26不動作。
當電流路徑控制電路28動作時，節點d的電壓Vd由0伏特逐漸升高，電流路徑控制電路28產生一控制電流至電流鏡24的電流輸入端，使得節點b(意即輸出信號OUT)被上拉(pull up)至3.3伏特，並使得P型電晶體MP1關閉(turn off)，而節點a(意即反相的輸出信號OUTB)被下拉(pull down)至0伏特。
於時間點t2至時間點t3為第一穩態期間(steady period)，輸入信號IN為0.7伏特、反相的輸入信號INB為0伏特、輸出信號OUT為3.3伏特且反相的輸出信號OUTB為0伏特。此時，P型電晶體MP1關閉(turn off)、P型電晶體MP2開啟(turn on)、N型電晶體MN1開啟(turn on)、N型電晶體MN2關閉(turn off)、電流路徑控制電路26與28皆不動作。明顯地，於第一穩態期間，轉壓器20中並沒有任何的漏電路徑(leakage current path)，可以有效地減少轉壓器20的電源消耗(power consumption)。
於時間點t3，轉壓器20的輸入信號IN由0.7伏特變為0伏特，N型電晶體MN1關閉(turn off)且N型電晶體MN2開啟(turn on)。
於時間點t3至時間點t4為第二暫態期間。於第二暫態期間的初期，反相輸入信號INB為0.7伏特且輸出信號OUT為3.3伏特，使得電流路徑控制電路26動作(activate)。同時，於第二暫態期間，由於輸入信號IN為0伏特，使得電流路徑控制電路28不動作。
當電流路徑控制電路26動作時，節點c的電壓Vc由0伏特逐漸升高，電流路徑控制電路26產生一控制電流至電流鏡22的電流輸入端，使得節點a(意即反相的輸出信號OUTB)被上拉(pull up)至3.3伏特，並使得P型電晶體MP2關閉(turn off)，而節點b(意即輸出信號OUT)被下拉(pull down)至0伏特。
於時間點t4之後為第二穩態期間，輸入信號IN為0伏特、反相的輸入信號INB為0.7伏特、輸出信號OUT為0伏特且反相的輸出信號OUTB為3.3伏特。此時，P型電晶體MP1開啟(turn on)、P型電晶體MP2關閉(turn off)、N型電晶體MN1關閉(turn off)、N型電晶體MN2開啟(turn on)、電流路徑控制電路26與28皆不動作。明顯地，於第二穩態期間，轉壓器20中並沒有任何的漏電路徑，可以有效地降低轉壓器20的電源消耗。
當輸入信號IN再次由0伏特變為0.7伏特時，其動作原理與上述時間點t1之後的動作相同，不再贅述。
由上述的說明可知，當輸入信號IN由電源電壓VSS轉換至電源電壓VDDL時，利用電流鏡24與電流路徑控制電路28將輸出信號OUT上拉至電源電壓VDDH。當輸入信號IN由電源電壓轉VDDL換至電源電壓VSS時，利用電流鏡22與電流路徑控制電路28將反相的輸出信號INB上拉至第二電壓。
再者，本發明的優點在於提出一種轉壓器，其輸入信號IN與反相的輸入信號INB可以操作在極低的信號範圍。根據本發明的實施例，當電源電壓VDDL下降至0.4伏特時，本發明的轉壓器仍舊可以正常運作，因此非常適合運用在具有極低核心電壓的IC晶片上。
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
21‧‧‧反相器
22、24‧‧‧電流鏡
26、28‧‧‧電流路徑控制電路
MN1~MN6‧‧‧N型電晶體
MP1~MP6‧‧‧P型電晶體

Claims (8)

  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，一第二閘極接收一反相的輸入信號，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一反相的輸出信號，且該第二節點係作為一第二輸出端以產生該輸出信號；一第一電流鏡連接至該第二電源電壓，其中該第一電流鏡具有一第一電流輸入端連接至一第三節點，以及一第一電流鏡射端連接至該第一節點；一第一電流路徑控制電路，連接至該第三節點與該第一電源電壓之間，根據該反相的輸入信號與該輸出信號來動作；一第二電流鏡連接至該第二電源電壓，其中該第二電流鏡具有一第二電流輸入端連接至一第四節點，以及一第二電流鏡射端連接至該第二節點；以及一第二電流路徑控制電路，連接至該第四節點與該第一電源電壓之間，根據該輸入信號與該反相的輸出信號來動作。
  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1項所述之轉壓器，更包括一反相器，連接於一第三電源電壓與該第一電源電壓，該反相器接收該輸入信號產生該反相的輸入信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之轉壓器，其中該第二電源電壓大於該第三電源電壓，且該第三電源電壓大於該第一電源電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之轉壓器，其中該第一電流路徑控制電路包括串接於該第三節點與該第一電源電壓之間的一第五電晶體與一第六電晶體，該第五電晶體的一第五閘極接收該反相的輸入信號，且該第六電晶體的一第六閘極接收該輸出信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之轉壓器，其中該第一電流鏡包括：一第七電晶體，具有一第七源極連接至該第二電源電壓，一第七汲極連接至該第一節點，以及一第七閘極連接至該第三節點；以及 一第八電晶體，具有一第八源極連接至該第二電源電壓，一第八汲極連接至該第三節點，以及一第八閘極連接至該第三節點。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之轉壓器，其中該第二電流路徑控制電路包括串接於該第四節點與該第一電源電壓之間的一第九電晶體與一第十電晶體，該第九電晶體的一第九閘極接收該輸入信號，且該第十電晶體的一第十閘極接收該反相的輸出信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之轉壓器，其中該第二電流鏡包括：一第十一電晶體，具有一第十一源極連接至該第二電源電壓，一第十一汲極連接至該第二節點，以及一第十一閘極連接至該第四節點；以及一第十二電晶體，具有一第十二源極連接至該第二電源電壓，一第十二汲極連接至該第四節點，以及一第十二閘極連接至該第四節點。
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