TWI745245B - 電壓轉換器與使用其的電路系統 - Google Patents

電壓轉換器與使用其的電路系統 Download PDF

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Abstract

一種電壓轉換器，具有：開關，接收輸入信號，並根據輸入信號而打開或關閉；門閂，接收電源電壓；電壓箝位電路，具有第一節點、第二節點與第三節點，所述第一節點電性連接所述門閂的用於輸出輸出信號的輸出端，所述第二節點與所述開關電性連接所述門閂的另一輸出端，以及所述第三節點為所述第二節點的電壓追隨節點。相較於先前技術，本發明實施例的電壓轉換器僅需要單一個電源即可以操作，而且在電源剛啟動時，輸出信號不會是未知。

Description

電壓轉換器與使用其的電路系統
本發明涉及一種電壓轉換器，且特別是一種單電源的電壓轉換器與使用其的電路系統。
電壓轉換器是一種可以將輸入信號之電壓進行轉換以輸出具有轉換後電壓之輸出信號的裝置。傳統的電壓轉換器使用雙電源，故仍有些缺失尚待改進。具體地，電壓轉換器是使用常用的標準單元(standard cell)來進行的邏輯設計電路，因此，設計上需要有類比高壓電源(AVDD)及數位低壓電源(VDDL)同時供應才能正常使用。然而，數位低壓電源(VDDL)又是由類比高壓電源(AVDD)所產生。在開機過程中，在類比高壓電源(AVDD)備妥完成前，數位低壓電源(VDDL)需要有正確的邏輯信號來保證數位低壓電源信號不會誤發，以防止導致後端的數位電路誤動作，即避免信號誤發或輸出電壓不對的技術問題。
以下說明數個傳統電壓轉換器，以作為本案的背景技術。首先，請參照圖1，圖1是另一種傳統電壓轉換器的電路圖。電壓轉換器2設計成為單電源供應之電壓轉換器，其包括反相器200、201、PMOS電晶體203與NMOS電晶體204。反相器200、201為高壓反相器，反相器200的供應電壓(即節點VL的電壓)由呈現二極體連接的NMOS電晶體204將電壓VDDH降壓至電壓VDDL的位準，且接著利用PMOS電晶體203構成的輸出回授開關來切換節點VL的電壓至電壓VDDH。如此，電壓轉換電路實現單供應電源轉換。然而，由於電壓VDDL是呈 現二極體連接的NMOS電晶體204所提供(即，VDDL=VDDH-VTH，其中VTH為NMOS電晶體204門限電壓)，因此，需要考量NMOS電晶體204的製程、操作電壓與操作溫度之範圍，以獲取相應的電壓VDDL，亦即，受限於NMOS電晶體204的製程、操作電壓與操作溫度之範圍，不易獲得大電壓範圍的電壓VDDL。
之後，請參照圖2，圖2是又一種傳統電壓轉換器的電路圖。電壓轉換器3包括PMOS電晶體301、303、304、305、NMOS電晶體302、306與307。PMOS電晶體301、303與NMOS電晶體302可以構成放電路徑來使得高壓的門閂(由PMOS電晶體304與305構成)轉態。當輸入信號VIN為邏輯高準位時，NMOS電晶體307打開且PMOS電晶體301的閘極為邏輯低準位，故輸入信號VIN可以被被暫存在節點VC。此時，節點VC的電壓實質上等於輸入信號VIN的電壓，且NMOS電晶體302為關閉狀態。當輸入信號VIN為邏輯低準位，NMOS電晶體307與PMOS電晶體301為關閉狀態，使得輸出信號VOUT的電壓為0。電壓轉換器3透過自舉(boost trap)方式將輸入信號VIN墊高，作為電壓轉換器3轉態時要使用的控制信號(節點VC的電壓)。然而，在電源啟動的過程中，因為輸入信號VIN的電壓為0，所以導致節點VC的電壓為0，所以導致輸出信號VOUT與反相輸出信號VOUTB的電壓皆為未知(unknown)。
本發明的實施例提供一種電壓轉換器，包括：開關，接收輸入信號，並根據輸入信號而打開或關閉；門閂，接收電源電壓；電壓箝位電路，具有第一節點、第二節點與第三節點，所述第一節點電性連接所述門閂的輸出端，所述第二節點與所述開關電性連接所述門閂的另一輸出端，以及所述第三節點為所述第二節點的電壓追隨節點；其中在所述輸入信號為邏輯低準位時，所述開關關閉使所述第二節點的電壓被拉高，所述第三節點的電壓因為所述第二節 點的電壓被拉高而跟著被拉高，以及所述第一節點的電壓等於所述邏輯低準位之電壓，且所述門閂進入轉態，所述門閂的所述輸出端輸出電壓為低電壓(邏輯低準位之電壓)的所述輸出信號；其中在所述輸入信號為邏輯高準位時，所述開關打開使所述第二節點的電壓為低電壓(邏輯低準位之電壓)，所述門閂轉態，所述第三節點的電壓降低至一門限電壓，以及所述第一節點的電壓連接所述電源電壓，所述門閂的所述輸出端輸出電壓為所述電源電壓的所述輸出信號。
本發明的實施例提供一種電路系統，包括：輸入電路、負載與前述電壓轉換器的任一者；其中所述電壓轉換器電性連接所述輸入電路與所述負載，所述輸入電路用於提供所述輸入信號，以及所述負載用於接收所述輸出信號。
綜上所述，相較於先前技術，本發明實施例的電壓轉換器僅需要單一個電源即可以操作，而且在電源剛啟動時，輸出信號不會是未知。
為了進一步理解本發明的技術、手段和效果，可以參考以下詳細描述和附圖，從而可以徹底和具體地理解本發明的目的、特徵和概念。然而，以下詳細描述和附圖僅用於參考和說明本發明的實現方式，其並非用於限制本發明。
2~6:電壓轉換器
41、61:門閂
203、301、303~305、411、412、443、444、421、522、611、612、642、644:PMOS電晶體
42、52:輸入暫存電路
422:電荷儲存電容
VL、VC、VR、O、P:節點
43、63:開關
204、302、306、307、431、441、442、631、641:NMOS電晶體
44、64:電壓箝位電路
45、65:緩衝器
200、201、451、452、651、652:反相器
521:二極體
VDDH、VDDL:電壓
VIN:輸入信號
VOUT:輸出信號
VOUTB:反相輸出信號
GND:接地
提供的附圖用以使本發明所屬技術領域具有通常知識者可以進一步理解本發明，並且被併入與構成本發明之說明書的一部分。附圖示出了本發明的示範實施例，並且用以與本發明之說明書一起用於解釋本發明的原理。
圖1是一種傳統電壓轉換器的電路圖。
圖2是另一種傳統電壓轉換器的電路圖。
圖3是本發明實施例的電壓轉換器的電路圖。
圖4是本發明另一實施例的電壓轉換器的電路圖。
圖5是本發明又一實施例的電壓轉換器的電路圖。
現在將詳細參考本發明的示範實施例，其示範實施例會在附圖中被繪示出。在可能的情況下，在附圖和說明書中使用相同的元件符號來指代相同或相似的部件。另外，示範實施例的做法僅是本發明之設計概念的實現方式之一，下述的該等示範皆非用於限定本發明。
本發明實施例提供一種單電源的電壓轉換器，其僅需要低壓邏輯信號及高壓電源即可將低壓的輸入信號轉換成高壓的輸出信號，同時輸出信號可做為低壓電源的備妥(ready)信號。當高壓電源剛開啟時，本發明實施例的電壓轉換器之切換開關不會因為電源來不及備妥，而產生信號誤發或是準位不對的技術問題。簡單地說，本發明實施例的電壓轉換器的其中一個目的是針對傳統電壓轉換器需要雙電源的缺點進行改善。
首先，請參照圖3，圖3是本發明實施例的電壓轉換器的電路圖。電壓轉換器4包括門閂41、輸入暫存電路42、開關43、電源箝位電路44與緩衝器45。門閂41由PMOS電晶體411與412構成，PMOS電晶體411與412的源極分別電性連接電壓VDDH(電源電壓)，PMOS電晶體411的閘極電性連接PMOS電晶體412的汲極，以及PMOS電晶體412的閘極電性連接PMOS電晶體411的汲極。門閂41之PMOS電晶體411的汲極(即門閂41的輸出端)電性連接電源箝位電路44的節點O與連接緩衝器45的輸入端，以及門閂41之PMOS電晶體412的汲極(即門閂41的另一輸出端)電性連接電源箝位電路44的節點P。
緩衝器45由兩個反相器451與452所構成，反相器451與452彼此串接，即反相器451的輸出端電性連接反相器452的輸入端，反相器451的輸入端(即 緩衝器45的輸入端)電性連接電源箝位電路44的節點O與門閂41之PMOS電晶體411，以及反相器452的輸出端用於產生輸出信號VOUT。反相器451與452的電源端與接地端分別電性連接電壓VDDH與接地GND。在此請注意，緩衝器45可以是本發明的非必要元件，且緩衝器45也可以由例如4個或6個彼此串接的反相器實現(即，緩衝器45透過偶數個反相器實現)，甚至緩衝器45可以由反向緩衝器(透過奇數個反相器實現)來取代。
電壓箝位電路44由NMOS電晶體441、442與PMOS電晶體443、444所構成，並具有節點O、P與VR。PMOS電晶體444的源極接收電壓VDDH，PMOS電晶體444的閘極與汲極彼此電性連接。NMOS電晶體441的源極接收輸入信號VIN，且NMOS電晶體441的汲極電性連接節點O。NMOS電晶體441與442的閘極彼此電性連接，且NMOS電晶體441與442的閘極還電性連接到節點VR。節點VR電性連接PMOS電晶體444的汲極與PMOS電晶體443的源極。PMOS電晶體443與NMOS電晶體442的汲極彼此電性連接。PMOS電晶體443的閘極電性連接到節點P，且節點P電性連接到開關43，即PMOS電晶體443的閘極電性連接開關43。NMOS電晶體442的源極則電性連接到輸入暫存電路42的節點VC，即NMOS電晶體442的源極電性連接輸入暫存電路42。
開關43由NMOS電晶體431構成。NMOS電晶體431的源極電性連接到接地GND，NMOS電晶體431的閘極接收入信號VIN，且NMOS電晶體431的汲極電性連接到節點P與輸入暫存電路42。
輸入暫存電路42由PMOS電晶體421與電荷儲存電容422所構成，並具有節點VC。電荷儲存電容422的一端電性連接接地GND，電荷儲存電容42的另一端電性連接到節點VC與PMOS電晶體421的汲極。PMOS電晶體421的源極接收輸入信號VIN，以及PMOS電晶體421的閘極電性連接NMOS電晶體431的汲極。
透過上述電壓轉換器4的架構，電壓轉換器4可以在僅有提供電壓VDDH的準位時，將較低準位(電壓VDDL，低於電壓VDDH)的輸入信號VIN調整為與電壓VDDH相同高準位的輸出信號VOUT，以藉此提供電壓轉換器4後端電性連接的負載(圖3未繪示)使用。進一步地說，開關43受控於輸入信號VIN而使得節點P的電壓為0或被抬高的非零分壓。當輸入信號VIN為邏輯低準位(即0)，NMOS電晶體431被關閉，當輸入信號VIN為邏輯高準位(電壓VDDL)，NMOS電晶體431被打開。
當NMOS電晶體431被關閉(輸入信號VIN為邏輯低準位)時，門閂41為未知狀態，節點P的電壓，因為PMOS電晶體412與NMOS電晶體431的元件分壓，而被抬高。然後，節點P的電壓被抬高，將使PMOS電晶體443被關閉，故節點VR的電壓會因為連接到呈現二極體連接的PMOS電晶體444的汲極而被拉高(即節點VR的電壓等於節點P的電壓(非零分壓)加上PMOS電晶體443的門限電壓，或稱，節點VR為節點P的電壓追隨節點)。節點VR之電壓拉高後，會使NMOS電晶體441被打開，迫使節點O的電壓實質上等於輸入信號VIN的邏輯低準位之電壓(0)。如此，門閂41進入轉態，且緩衝器45則根據節點O上的電壓(為0的低電壓或邏輯低準位之電壓)，輸出電壓為低電壓(0或邏輯低準位之電壓)的輸出信號VOUT。
當NMOS電晶體431被打開(輸入信號VIN為邏輯高準位)時，節點P的電壓為低電壓(0或邏輯低準位之電壓)，使得門閂41轉態，暫存電路42的PMOS電晶體421打開，電荷儲存電容422則可以儲存輸入信號VIN，從而使得節點VC的電壓實質上等於輸入信號VIN的電壓。電壓箝位電路44的PMOS電晶體443被打開，電壓箝位電路44進入正常工作模式，使得呈現二極體連接的PMOS電晶體444提供瞬間的偏壓電流給節點VR，並讓節點VR的電壓追隨節點P的電壓(即節點VR的電壓等於節點P的電壓(0或邏輯低準位之電壓)加上PMOS電晶體 443的門限電壓，或稱，節點VR為節點P的電壓追隨節點)，NMOS電晶體441與電晶體442實現電壓箝位效果，迫使輸入信號VIN的電壓等於節點VC的電壓。此時，節點O因為門閂41的轉態，而連接到電壓VDDH，同時，過高的準位降壓在NMOS電晶體441上，使得在NMOS電晶體441可以保護用於形成電壓VDDL之輸入信號VIN的輸入電路。最後，緩衝器45則根據節點O上的電壓VDDH，輸出電壓為VDDH的輸出信號VOUT。
由上述可以知悉，電壓轉換器4僅需單一電源(電壓VDDH)即可以操作，且電源剛啟動時，輸出信號VOUT不會是未知，再者，電壓箝位電路44可以保護用於形成電壓VDDL之輸入信號VIN的輸入電路，例如，節點O與輸入信號VIN之間的壓降由電壓箝位電路44承受(如前面所述，透過過高的準位降壓在NMOS電晶體441上來實現)。
接著，請參照圖4，圖4是本發明另一實施例的電壓轉換器的電路圖。電壓轉換器5同樣包括門閂41、輸入暫存電路52、開關43、電壓箝位電路44與緩衝器45，相較於圖3的實施例，電壓轉換器5的輸入暫存電路52與電壓轉換器4的輸入暫存電路42略有差異。於此實施例中，輸入暫存電路52由二極體521與NMOS電晶體522構成，其中二極體521的兩端分別連接輸入信號VIN與節點VC，二極體521的作用與圖3之PMOS電晶體421相同，NMOS電晶體522的閘極連接節點VC，以及NMOS電晶體522的源極與汲極連接接地GND，以形NMOS電晶體522的作用與圖3之電荷儲存電容422相同。
之後，請參照圖5，圖5是本發明又一實施例的電壓轉換器的電路圖。不同於圖3與圖4的實施例，於此實施例中，電壓轉換器6包括門閂61、開關63、電壓箝位電路64與緩衝器65，但不具有輸入暫存電路。門閂61由PMOS電晶體611與612構成，緩衝器65由兩個反相器651與652所構成，且門閂61與緩衝器65之作用分別與圖3及圖4的門閂41與緩衝器45相同。
電壓箝位電路64由NMOS電晶體641與PMOS電晶體642、644所構成，並具有節點O、VR與P。PMOS電晶體644的源極接收電壓VDDH，PMOS電晶體644的閘極與汲極彼此電性連接，並連接到節點VR。NMOS電晶體641的源極接收輸入信號VIN，NMOS電晶體641的閘極電性連接節點VR，且NMOS電晶體641的汲極電性連接節點O。PMOS電晶體642的源極連接節點VR，PMOS電晶體642的閘極連接節點P，以及PMOS電晶體642的汲極連接接地GND。
開關63由一個NMOS電晶體631所構成。NMOS電晶體631的源極電性連接到接地GND，NMOS電晶體631的閘極接收入信號VIN，且NMOS電晶體631的汲極電性連接到節點P。
開關63受控於輸入信號VIN而使得節點P的電壓為0或被抬高的非零分壓。當輸入信號VIN為邏輯低準位(即0)，NMOS電晶體631被關閉，當輸入信號VIN為邏輯高準位(電壓VDDL)，NMOS電晶體631被打開。
當NMOS電晶體631被關閉(輸入信號VIN為邏輯低準位)時，門閂61為未知狀態，節點P的電壓，因為PMOS電晶體612與NMOS電晶體631的元件分壓，而被抬高。然後，節點P的電壓被抬高，且節點VR的電壓為節點P的電壓加上PMOS電晶體642的門限電壓。NMOS電晶體641會被打開，故節點O的電壓被放電至等於輸入信號VIN的電壓(0)。如此，門閂61進入轉態，且緩衝器65則根據節點O上的電壓(0)，輸出電壓為0的輸出信號VOUT。
當NMOS電晶體631被打開(輸入信號VIN為邏輯高準位)時，節點P的電壓為0，門閂61轉態，且節點VR的電壓為PMOS電晶體642的門限電壓。NMOS電晶體641會被關閉。節點O因為門閂61的轉態，而連接到電壓VDDH，同時，過高的準位降壓在NMOS電晶體641上，使得在NMOS電晶體641可以保護用於形成電壓VDDL之輸入信號VIN的輸入電路。最後，緩衝器65則根據節點O上的電壓VDDH，輸出電壓為VDDH的輸出信號VOUT。
由上述可以知悉，電壓轉換器6僅需單一電源(電壓VDDH)即可以操作，且電源剛啟動時，輸出信號VOUT不會是未知，再者，電壓箝位電路64可以保護用於形成電壓VDDL之輸入信號VIN的輸入電路。相較於圖3與圖4的實施例，透過電壓箝位電路64的設計，電壓轉換器6之作法還可以省下了NMOS電晶體的數量與電荷儲存電容的配置。
另外，本發明實施例還提供一種電路系統，電路系統包括電壓轉換器、輸入電路以及與用於接收輸出信號的至少一個負載，其中電壓轉換器電性連接於輸入電路與負載，輸入電路用於產生具有電壓VDDL的輸入信號VIN，電壓轉換器可以是前述圖3~圖5其中一者的電壓轉換器4~6，且負載可以是各種類型電路，例如數位電路或邏輯電路，但本發明不以此為限制。較佳地，電路系統可以整合成為一個單晶片，但本發明不以此為限制。
綜合以上所述，相較於先前技術，本發明實施例的電壓轉換器僅需要單一個電源即可以操作，而且在電源剛啟動時，輸出信號不會是未知。換句話說，本發明實施例的電壓轉換器不會因為電源來不及備妥，而產生信號誤發或是輸出信號之準位不對的技術問題。另外，透過電壓箝位電路的設計，電壓轉換器更可以保護用於形成輸入信號的輸入電路。再者，在其中一個實施例中，電壓轉換器可以不使用電荷儲存電容，並能減少NMOS電晶體的數量。另一方面，本發明實施例的電壓轉換器可以被各種電路系統所使用，故極具實用性。
應當理解，本文描述的示例和實施例僅用於說明目的，並且鑑於其的各種修改或改變將被建議給本領域技術人員，並且將被包括在本申請的精神和範圍以及所附權利要求的範圍之內。
4:電壓轉換器
41:門閂
411、412、443、444、421:PMOS電晶體
42:輸入暫存電路
422:電荷儲存電容
VC、VR、O、P:節點
43:開關
431、441、442:NMOS電晶體
44:電壓箝位電路
45:緩衝器
451、452:反相器
VDDH:電壓
VIN:輸入信號
VOUT:輸出信號
GND:接地

Claims (10)

  1. 一種電壓轉換器，包括：開關，接收輸入信號，並根據所述輸入信號而打開或關閉；門閂，接收電源電壓；電壓箝位電路，具有第一節點、第二節點與第三節點，所述第一節點電性連接所述門閂的輸出端，所述第二節點與所述開關電性連接所述門閂的另一輸出端，以及所述第三節點為所述第二節點的電壓追隨節點；其中在所述輸入信號為邏輯低準位時，所述開關關閉使所述第二節點的電壓被拉高，所述第三節點的電壓因為所述第二節點的電壓被拉高而跟著被拉高，以及所述第一節點的電壓等於所述邏輯低準位之電壓，且所述門閂進入轉態，所述門閂的所述輸出端輸出的電壓為具有所述邏輯低準位之輸出信號；其中在所述輸入信號為邏輯高準位時，所述開關打開使所述第二節點的電壓為所述邏輯低準位之電壓，所述門閂轉態，所述第三節點的電壓降低至一門限電壓，以及所述第一節點的電壓連接所述電源電壓，所述門閂的所述輸出端的輸出電壓為具有所述電源電壓的所述輸出信號。
  2. 如請求項1所述之電壓轉換器，更包括： 輸入暫存電路，電性連接所述輸入信號，所述輸入暫存電路具有暫存節點，所述暫存節點電性連接所述電壓箝位電路，當所述輸入信號為所述邏輯高準位時，所述暫存節點用於暫存所述輸入信號。
  3. 如請求項2所述之電壓轉換器，其中所述電壓箝位電路包括：第一NMOS電晶體、第二NMOS電晶體、第一PMOS電晶體與第二PMOS電晶體；其中所述第二PMOS電晶體的源極接收所述電源電壓，所述第二PMOS電晶體的閘極與汲極彼此電性連接，所述第一NMOS電晶體的源極接收所述輸入信號，所述第一NMOS電晶體的汲極電性連接所述第一節點，所述第一NMOS電晶體與所述第二NMOS電晶體的閘極彼此電性連接，所述第一NMOS電晶體與所述第二NMOS電晶體的閘極電性連接到所述第三節點，所述第三節點電性連接所述第二PMOS電晶體的汲極與所述第一PMOS電晶體的源極，所述第一PMOS電晶體與所述第二NMOS電晶體的汲極彼此電性連接，所述第一PMOS電晶體的閘極電性連接到所述第二節點，所述第一PMOS電晶體的閘極電性連接所述開關，所述第二NMOS電晶體的源極電性連接到所述輸入暫存電路的所述暫存節點。
  4. 如請求項3所述之電壓轉換器，其中所述輸入暫存電路包括：第三PMOS電晶體以及電荷儲存電容； 其中所述電荷儲存電容的一端電性連接接地，所述電荷儲存電容的另一端電性連接到所述暫存節點與所述第三PMOS電晶體的汲極，所述第三PMOS電晶體的源極接收所述輸入信號，以及所述第三PMOS電晶體的閘極電性連接所述開關。
  5. 如請求項3所述之電壓轉換器，其中所述輸入暫存電路包括：二極體以及第三NMOS電晶體；其中所述二極體的兩端分別連接所述輸入信號與所述暫存節點，所述第三NMOS電晶體的閘極連接所述暫存節點，以及所述第三NMOS電晶體的源極與汲極連接接地。
  6. 如請求項3所述之電壓轉換器，其中所述第一節點與所述輸入信號之間的壓降由所述電壓箝位電路的所述第一NMOS電晶體承受。
  7. 如請求項1所述之電壓轉換器，其中所述電壓箝位電路包括：第一NMOS電晶體、第一PMOS電晶體與第二PMOS電晶體；其中所述第一PMOS電晶體的源極接收所述電源電壓，所述第一PMOS電晶體的閘極與汲極彼此電性連接，並連接到所述第三節點，所述第一NMOS電晶體的源極接收所述輸入信號，所述第一NMOS電晶體的閘極電性連接所述第三節點，所述第一NMOS電晶體的汲極電性連接所述第一節點，所述第二PMOS電晶體的源極連接所述第三節點，所述第二PMOS電晶體的閘 極連接所述第二節點，以及所述第二PMOS電晶體的汲極連接接地。
  8. 如請求項1所述之電壓轉換器，其中所述門閂包括兩PMOS電晶體，所述兩PMOS電晶體的源極連接所述電源電壓，所述兩PMOS電晶體每一者的汲極電性連接所述另一PMOS電晶體的閘極，且所述兩PMOS電晶體的汲極作為所述門閂的兩輸出端。
  9. 如請求項1所述之電壓轉換器，更包括：緩衝器，由偶數個反相器構成，所述緩衝器之輸入端電性連接所述電壓箝位電路的所述第一節點，所述緩衝器之輸出端用於輸出所述輸出信號。
  10. 一種電路系統，包括：輸入電路、負載與如請求項1~9其中一項所述之電壓轉換器；其中所述電壓轉換器電性連接所述輸入電路與所述負載，所述輸入電路用於提供所述輸入信號，以及所述負載用於接收所述輸出信號。
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