TWI694729B - 開關電路 - Google Patents

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高立龍
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Abstract

一種開關電路包含：一開關以及一電位平移電路。該開關包含一導通端點以及一輸入端點，該輸入端點係用以接收一輸入電壓，而該導通端點上的一導通電壓控制該開關的導通狀態。該電位平移電路包含一電位輸入端點以及一電位輸出端點，其中該電位輸入端點耦接至該輸入端點以接收該輸入電壓，該電位平移電路係用以平移該輸入電壓以產生一平移電壓於該電位輸出端點，以及該導通電壓係由該平移電壓所決定。

Description

開關電路
本發明係有關於一開關電路，尤指一種線性度高、適用於負電壓操作且能應用於高功率輸出的音訊產品的電路。
傳統的類比開關通常以傳輸閘(transmission gate)來實現，利用P型金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)以及N型金屬氧化物半導體場效電晶體的並聯來降低等效阻抗，並同時增加線性度，但除非付出相當大的面積成本，達到的規格仍不足以提供音訊產品使用，且由於金屬氧化物半導體場效電晶體的源極端與基極會連結在一起，一旦輸入電壓為負電壓，則會透過P型金屬氧化物半導體場效電晶體的基極與P型基板(P-substrate)導通造成漏電流，因此，以傳輸閘來實現的開關電路不適於，舉例來說，接地參考(ground reference)耳機放大器(headphone amplifier,HP_AMP)等產品的使用，而這是目前音訊產品經常使用之架構，用以節省零件的成本。
本發明的目的之一在於提供一種開關電路來解決先前技術中的問題，其中該開關電路具有線性度高且不受輸入電壓的負電壓影響的特性。
根據本發明的一實施例，揭露一種開關電路，包含：一開關以及一電位平移電路，其中該開關包含一導通端點以及一輸入端點，該輸入端點係用以接收一輸入電壓，而該導通端點上的一導通電壓控制該開關的導通狀態；該電位平移電路包含一電位輸入端點以及一電位輸出端點，其中該電位輸入端點耦 接至該輸入端點以接收該輸入電壓，該電位平移電路係用以平移該輸入電壓以產生一平移電壓於該電位輸出端點，以及該導通電壓係由該平移電壓所決定。
10:開關電路
101:開關
102:電位平移電路
103:緩衝電路
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Tvi:電位輸入端點
Tvo:電位輸出端點
To:導通端點
Ti:輸入端點
Tin1:第一輸入端點
Tin2:第二輸入端點
Tbo:輸出端
T1、T2、T3:電晶體
C1、C2:電流源
Amp:放大器
第1圖係根據本發明一實施例之開關電路的示意圖。
第2圖係根據本發明一實施例之電位平移電路的示意圖。
第3圖係根據本發明另一實施例之電位平移電路的示意圖
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第1圖係根據本發明一實施例之開關電路10的示意圖，如第1圖所示，開關電路10用以接收一輸入電壓Vin並輸出一輸出電壓Vout，並且開關電路10包含一開關101、一電位平移電路以及一緩衝電路103，其中開關101包含一導通端點To以及一輸入端點Ti，電位平移電路102包含一電位輸入端點Tvi以及電位輸出端點Tvo。開關101的輸入端點Ti接收輸入電壓Vin，而導通端點To上的一導通電壓 Von用以決定開關101的導通狀態；電位平移電路102的電位輸入端點Tvi接收輸入電壓Vin使電位平移電路102平移輸入電壓Vin來產生一平移電壓Vshift於電位輸出端點Tvo；緩衝電路103於本實施例中以一放大器電路實現，其中緩衝電路103包含一第一輸入端Tin1、一第二輸入端Tin2以及一輸出端Tbo，其中第一輸入端Tin1耦接至電位輸出端點Tvo以接收平移電壓Vshift，第二輸入端Tin2如圖所示耦接至輸出端Tbo使得該放大器電路形成一負回授達到緩衝電路的效果，並且將緩衝後的平移電壓Vshift輸出至導通端點To形成導通電壓Von來控制開關101的導通狀態。需注意的是，緩衝電路103的用途在於避免當輸出電壓Vout耦接至一重負載時造成訊號失真，其非為一必要電路，在其他實施例中，緩衝電路103可省略，如此一來，電位輸出端點Tvo直接連接至導通端點To，使得平移電壓Vshift等同於導通電壓Von來控制開關101的導通狀態。在本實施例中，開關101包含一電晶體T1，詳細來說，為一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)，其中電晶體T1的一閘極端耦接至導通端點To，一源極端耦接至輸入端點Ti以接收輸入電壓Vin，並且於一汲極端產生輸出電壓Vout，需注意的是，本發明並不限制電晶體T1的類型，舉例來說，電晶體T1可以是P型金屬氧化物半導體場效電晶體或N型金屬氧化物半導體場效電晶體，當電晶體T1是N型金屬氧化物半導體場效電晶體時，電位平移電路102將輸入電壓Vin往上平移(亦即增加一電壓值)，使得電晶體T1的閘極端上的導通電壓高於源極端；當電晶體T1是P型金屬氧化物半導體場效電晶體時，電位平移電路102將輸入電壓Vin往下平移(亦即減少一電壓值)，使得電晶體T1的閘極端上的導通電壓低於源極端，本領域具通常知識者應能輕易理解控制電晶體閘極電壓與源極電壓之間的電位差，使其大於電晶體的臨界電壓來導通電晶體的操作，詳細內容在此省略以省篇幅。
詳細來說，當輸入電壓Vin透過電位輸入端點Tvi進入電位平移電路102後，經過平移產生平移電壓Vshift，透過緩衝電路103產生導通電壓Von於電晶體T1 的該閘極端，使得該閘極端與該源極端間的電位差超過電晶體T1的一臨界電壓，藉此確保開關101的導通電壓不會受到輸入電壓Vin振幅負電壓的影響，可以隨時導通，進而優化其線性度，相較於傳統的傳輸閘開關，開關電路10會因為線性度的提升，即便在連接重負載的情況下，使用相對大的導通阻抗也不容易產生失真，進而降低電路面積與製造成本。
第2圖係根據本發明一實施例之電位平移電路102的示意圖，電位平移電路102包含電晶體T2與T3以及電流源C1與C2，其中在此實施例中，電晶體T2係由P型金屬氧化物半導體場效電晶體來實現而電晶體T3係由N型金屬氧化物半導體場效電晶體來實現，但此並非本發明的一限制，本領域具通常知識者應可輕易理解電晶體T2與T3的其他實現方式。如第2圖所示，電晶體T2的一閘極端耦接至輸入電壓Vin以產生平移電壓Vshift於一源極端，電晶體T2的一汲極端耦接至電晶體T3的一閘極端，電晶體T3的一汲極端耦接至電晶體T2的該源極端，電晶體T3的一源極端耦接至一參考電壓(於此實施例中為一接地電壓)，電流源C2耦接於電晶體T2的該汲極端與接地電壓之間，電流源C1耦接於電晶體T2的該源極端與另一參考電壓(於此實施例中為一供應電壓)。在本實施例中，電位平移電路102以一源極隨耦電路來實現，但此並不為本發明的一限制，於其他實施例中，電位平移電路102可以其他電路來實現，只要能將輸入電壓Vin平移一電位差來產生平移電壓Vshift即應隸屬本發明的範圍。
第3圖係根據本發明另一實施例之電位平移電路102的示意圖，第3圖所示之實施例與第2圖之實施例的差異在於，第3圖以一放大器amp取代第2圖實施例中的電晶體T3，其餘元件皆相同，其中放大器amp的其中一輸入端耦接至電晶體T2的該汲極端，另一輸入端耦接至一參考電壓Vref，而一輸出端耦接至電晶體T2的該源極端，如此一來，可以增加電流源C2的輸出阻抗，藉此優化電位平移電路之功效。
簡單歸納本發明，本發明提出一種開關電路，透過利用一電位平移電路將輸入電壓平移一電位差產生一平移電壓，並且可透過一緩衝電路將該平移電壓產生於金屬氧化物半導體場效電晶體的一閘極端，使得閘極端上的電壓與源極端的電壓存在一電位差，該電位差大於金屬氧化物半導體場效電晶體的一臨界電壓，藉此使金屬氧化物半導體場效電晶體可隨時導通，不受輸入電壓振幅的負電壓影響，進而優化開關的線性度。由於本發明所提出的開關電路具有較佳線性度，其可應用於音訊產品之中，舉例來說，本發明提出的開關電路可耦接於一高規格放大器與一低功耗放大器之間，使得使用者在使用音訊產品時可隨意切換模式，例如當需要聆聽音樂時，需要較佳的效能，切換本發明提出的開關電路耦接至高規格放大器，而當撥通電話時，不需較佳效能，此時可切換本發明提出的開關電路耦接至低功耗放大器，以節省功率損耗。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:開關電路
101:開關
102:電位平移電路
103:緩衝電路
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Tvi:電位輸入端點
Tvo:電位輸出端點
To:導通端點
Ti:輸入端點
Tin1:第一輸入端點
Tin2:第二輸入端點
Tbo:輸出端
T1:電晶體

Claims (9)

  1. 一種開關電路，包含：一開關，包含一導通端點以及一輸入端點，其中該輸入端點用以接收一輸入電壓，以及該導通端點上的一導通電壓控制該開關的導通狀態；一電位平移電路，包含一電位輸入端點以及一電位輸出端點，其中該電位輸入端點耦接至該輸入端點以接收該輸入電壓，該電位平移電路係用以平移該輸入電壓以產生一平移電壓於該電位輸出端點，以及該導通電壓係由該平移電壓所決定；以及一緩衝電路，耦接於該電位輸出端點以及該導通端點之間，用以接收該電位輸出端點上的該平移電壓以產生該導通電壓於該導通端點上。
  2. 如申請專利範圍第1項的開關電路，其中該開關包含一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。
  3. 如申請專利範圍第2項的開關電路，其中該導通端點耦接至該金屬氧化物半導體場效電晶體的一閘極端。
  4. 如申請專利範圍第2項的開關電路，其中該輸入端點耦接至該金屬氧化物半導體場效電晶體的一源極端。
  5. 如申請專利範圍第1項的開關電路，其中該緩衝電路包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第二輸入端耦接至該輸出端，該輸出端耦接至該導通端點，該第一輸入端耦接至該電位平移電路的該電位輸出端 點。
  6. 如申請專利範圍第1項的開關電路，其中該電位平移電路包含一第一電晶體，該電位輸入端點耦接至該第一電晶體的一閘極端，該電位輸出端點耦接至該第一電晶體的一源極端。
  7. 如申請專利範圍第6項的開關電路，其中該電位平移電路另包含一第二電晶體，該電位輸出端點耦接至該第二電晶體的一汲極端，該第二電晶體的一閘極端耦接至該第一電晶體的一汲極端。
  8. 如申請專利範圍第6項的開關電路，其中該電位平移電路另包含一電流源耦接於一參考電壓以及該第一電晶體的該源極端之間，或者，該電位平移電路另包含一電流源耦接於一參考電壓以及該第一電晶體的一汲極端之間。
  9. 如申請專利範圍第6項的開關電路，其中該電位平移電路另包含一放大器，該電位輸出端點耦接至該放大器的一輸出端，該放大器的一第一輸入端耦接至該第一電晶體的一汲極端。
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