TW201838337A - 電壓準位移位器 - Google Patents

Abstract

一種電壓準位移位器，包括電壓準位移位電路以及升壓電路。電壓準位移位電路包括第一參考輸入端、第二參考輸入端、第一升壓輸入端以及第二升壓輸入端。電壓準位移位電路操作在第一電壓以及第二電壓之間。升壓電路耦接至電壓準位移位電路。升壓電路用以依據第一參考輸入端以及第二參考輸入端的電壓值，將第一升壓輸入端以及第二升壓輸入端升壓，以降低從第一電壓傳遞至第二電壓的轉態電流。

Description

電壓準位移位器

本發明是有關於一種電子電路，且特別是有關於一種電壓準位移位器(voltage level shifter)。

在電子技術突飛猛進的今天，同時具有多種功能的整合性電子產品成為市場追逐的焦點。為了在單一產品中達成多樣的功能，在不同的工作電壓範圍間進行切換是此類產品所需要的基本技術。而用來進行這個工作電壓範圍的轉換的主角，則是所謂的電壓準位移位器。舉例而言，在記憶體儲存裝置中，通常包括電壓準位移位器，用以進行兩個不同電壓準位之間的移位操作。

在現有技術中，當電壓準位移位器將電壓訊號從低準位轉換至高準位時，若其中的轉態電流(transient current)太高，將容易造成電壓準位移位器的功率消耗太大，也會造成訊號轉態速度太慢。因此，如何提供一種轉態電流低且訊號轉態速度快的電壓準位移位器為本領域技術人員重要的課題之一。

本發明提供一種電壓準位移位器，其轉態電流低、訊號轉態速度快。

本發明的電壓準位移位器包括電壓準位移位電路以及升壓電路。電壓準位移位電路包括第一參考輸入端、第二參考輸入端、第一升壓輸入端以及第二升壓輸入端。電壓準位移位電路操作在第一電壓以及第二電壓之間。升壓電路耦接至電壓準位移位電路。升壓電路用以依據第一參考輸入端以及第二參考輸入端的電壓值，將第一升壓輸入端以及第二升壓輸入端升壓，以降低從第一電壓傳遞至第二電壓的轉態電流。

基於上述，在本發明的示範實施例中，電壓準位移位器包括的升壓電路用以將第一升壓輸入端以及第二升壓輸入端升壓，以降低轉態電流，並且提升訊號轉態速度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下提出多個實施例來說明本發明，然而本發明不僅限於所例示的多個實施例。又實施例之間也允許有適當的結合。在本申請說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。此外，「訊號」一詞可指至少一電流、電壓、電荷、溫度、資料、電磁波或任何其他一或多個訊號。

請參考圖1及圖2，本實施例之電壓準位移位器100包括電壓準位移位電路110以及升壓電路120。升壓電路120耦接至電壓準位移位電路110。在本實施例中，電壓準位移位電路110包括第一參考輸入端IN3、第二參考輸入端IN5、第一升壓輸入端P1以及第二升壓輸入端P2。電壓準位移位電路110操作在第一電壓VH以及第二電壓VSS之間。第一電壓VH高於第二電壓VSS。在本實施例中，升壓電路120用以依據第一參考輸入端IN3以及第二參考輸入端IN5的電壓值，將第一升壓輸入端P1以及第二升壓輸入端P2升壓，以降低從第一電壓VH傳遞至第二電壓VSS的轉態電流I1或I2。

在本實施例中，電壓準位移位電路110包括第一電晶體MP1、第二電晶體MP2、第三電晶體MP3、第四電晶體MP4、第五電晶體MN1以及第六電晶體MN2。第一電晶體MP1、第二電晶體MP2、第三電晶體MP3、第四電晶體MP4、第五電晶體MN1以及第六電晶體MN2各自包括第一端、第二端以及控制端。第一電晶體MP1的第一端耦接至第一電壓VH。第二電晶體MP2的第一端耦接至第一電壓VH。第二電晶體MP2的第二端作為電壓準位移位電路110的輸出端OUT。第三電晶體MP3的第一端耦接至第一電晶體MP1的第二端。第三電晶體MP3的第二端耦接至第二電晶體MP2的控制端。第三電晶體MP3的控制端作為第一升壓輸入端P1。第四電晶體MP4的第一端耦接至第二電晶體MP2的第二端。第四電晶體MP4的第二端耦接至第一電晶體MP1的控制端。第四電晶體MP4的控制端作為第二升壓輸入端P2。第五電晶體MN1的第一端耦接至第二電晶體MP2的控制端以及第三電晶體MP3的第二端。第五電晶體MN1的第二端耦接至第二電壓VSS。第五電晶體MN1的控制端作為第一參考輸入端IN3。第六電晶體MN2的第一端耦接至第一電晶體MP1的控制端以及第四電晶體MP4的第二端。第六電晶體MN2的第二端耦接至第二電壓VSS。第六電晶體MN2的控制端作為第二參考輸入端IN5。在本實施例中，第一電晶體MP1、第二電晶體MP2、第三電晶體MP3以及第四電晶體MP4是P型金氧半電晶體。第五電晶體MN1以及第六電晶體MN2是N型金氧半電晶體。

在本實施例中，第一電流I1從第一電晶體MP1的第一端經由第一電晶體MP1、第三電晶體MP3以及第五電晶體MN1傳遞至第五電晶體MN1的第二端。第二電流I2從第二電晶體MP2的第一端經由第二電晶體MP2、第四電晶體MP4以及第六電晶體MN2傳遞至第六電晶體MN2的第二端。以第一電流I1以及第二電流I2兩者其中之一作為轉態電流。在本實施例中，第三電晶體MP3耦接在第一電晶體MP1與第五電晶體MN1之間，可降低在電壓準位轉換期間，第一電流I1的電流值，從而降低第一電壓VH的功率消耗，並且增加輸出端OUT的輸出訊號的電壓轉態速度。在本實施例中，第四電晶體MP4耦接在第二電晶體MP2與第六電晶體MN2之間，可降低在電壓準位轉換期間，第二電流I2的電流值，從而降低第一電壓VH的功率消耗，並且增加輸出端OUT的輸出訊號的電壓轉態速度。

在本實施例中，電壓準位移位電路110例如是單端輸出、差動輸入的電路組態。電壓準位移位電路110從第一參考輸入端IN3以及第二參考輸入端IN5接收差動輸入訊號S3、S5。電壓準位移位電路110從輸出端OUT輸出輸出訊號。電壓準位移位電路110將差動輸入訊號S3、S5的電壓準位從第三電壓VCC移位至第一電壓VH以作為輸出訊號。第一電壓VH高於第三電壓VCC。在一實施例中，第一電晶體MP1與第三電晶體MP3連接的端點也可作為電壓準位移位電路110的另一輸出端，以輸出輸出訊號。

在本實施例中，升壓電路120操作在第三電壓VCC以及第二電壓VSS之間。升壓電路120包括第一升壓電路區塊122以及第二升壓電路區塊124。第一升壓電路區塊122耦接至第三電晶體MP3的控制端以及第五電晶體MN1的控制端。第二升壓電路區塊124耦接至第四電晶體MP4的控制端以及第六電晶體MN2的控制端。

在本實施例中，第一升壓電路區塊122包括第七電晶體MN3、第八電晶體MN4、第一電容器C1、第一反向器131以及第二反向器132。第七電晶體MN3及第八電晶體MN4各自包括第一端、第二端以及控制端。第七電晶體MN3的第一端耦接至第三電壓VCC。第七電晶體MN3的第二端耦接至第三電晶體MP3的控制端。第七電晶體MN3的控制端接收第一訊號S1。第八電晶體MN4的第一端耦接至第三電晶體MP3的控制端以及第七電晶體MN3的第二端。第八電晶體MN4的第二端耦接至第二電壓VSS。第八電晶體MN4的控制端接收第二訊號S2。在本實施例中，第七電晶體MN3以及第八電晶體MN4是N型金氧半電晶體。

在本實施例中，第一電容器C1包括第一端以及第二端。第一電容器C1的第一端耦接至第三電晶體MP3的控制端。第一電容器C1的第二端耦接至第五電晶體MN1的控制端。第五電晶體MN1的控制端接收第三訊號S3。第一反向器131包括第一端IN1以及第二端IN2。第一反向器131的第一端IN1耦接至第七電晶體MN3的控制端。第一反向器131的第二端IN2耦接至第八電晶體MN4的控制端。第二反向器132包括第一端IN2以及第二端IN3。第二反向器132的第一端IN2耦接至第八電晶體MN4的控制端。第二反向器132的第二端IN3耦接至第五電晶體MN1的控制端。在本實施例中，第一反向器131將第一訊號S1反相以產生第二訊號S2，第二反向器132將第二訊號S2反相以產生第三訊號S3。因此，第一訊號S1與第二訊號S2反相。第一訊號S1與第三訊號S3同相。

在本實施例中，第一電晶體MP1與第三電晶體MP3是屬於串聯的連接組態。此種設計可將降低第三電晶體MP3與第五電晶體MN1在端點O1的電壓拉扯(fighting)。當第一訊號S1在輸入端IN1的準位由第二電壓VSS轉換為第三電壓VCC時，第七電晶體MN3導通，並且第一升壓輸入端P1被升壓至大約第三電壓VCC的準位。接著，第一訊號S1經第一反向器131以及第二反向器132延遲後，在第一參考輸入端IN3產生第三訊號S3，其電壓準位約為第三電壓VCC的準位。此時，被升壓至大約第三電壓VCC準位的第一升壓輸入端P1依據第一參考輸入端IN3再被升壓約一個第三電壓VCC的準位。因此，在電壓準位轉換期間，第一電流I1的電流值可被降低，從而降低第一電壓VH的功率消耗，並且增加輸出端OUT的輸出訊號的電壓轉態速度。在一實施例中，第一電壓VH例如是電荷磊電路依據第三電壓VCC來產生，第一電壓VH的功率消耗被降低可進一步降低電荷磊電路的負擔(load)。

在本實施例中，第二升壓電路區塊124包括第九電晶體MN5、第十電晶體MN6、第二電容器C2、第三反向器133以及第四反向器134。第九電晶體MN5及第十電晶體MN6各自包括第一端、第二端以及控制端。第九電晶體MN5的第一端耦接至第三電壓VCC。第九電晶體MN5的第二端耦接至第四電晶體MP4的控制端。第九電晶體MN5的控制端接收第二訊號S2。第十電晶體MN6的第一端耦接至第三電晶體MP3的控制端以及第九電晶體MN5的第二端。第十電晶體MN6的第二端耦接至第二電壓VSS。第十電晶體MN6的控制端接收第四訊號S4。在本實施例中，第九電晶體MN5以及第十電晶體MN6是N型金氧半電晶體。

在本實施例中，第二電容器包括第一端以及第二端。第二電容器C2的第一端耦接至第四電晶體MP4的控制端。第二電容器C2的第二端耦接至第六電晶體MN2的控制端。第六電晶體MN2的控制端接收第五訊號S5。在本實施例中，第三訊號S3以及第五訊號S5作為差動輸入訊號分別從第一參考輸入端IN3以及第二參考輸入端IN5輸入電壓準位移位電路110。第三反向器133包括第一端以及第二端。第三反向器133的第一端耦接至第九電晶體MN5的控制端。第三反向器133的第二端耦接至第十電晶體MN6的控制端。第四反向器134包括第一端以及第二端。第四反向器134的第一端耦接至第十電晶體MN6的控制端。第四反向器134的第二端耦接至第六電晶體MN2的控制端。在本實施例中，第三反向器133將第二訊號S2反相以產生第四訊號S4，第四反向器134將第四訊號S4反相以產生第五訊號S5。因此，第二訊號S2與第四訊號S4反相。第二訊號S2與第五訊號S5同相。在本實施例中，第二升壓電路區塊124的操作可參考第一升壓電路區塊122，其相對位置的節點的電壓互補，例如第二訊號S2在輸入端IN2的準位與第一訊號S1在輸入端IN1的準位反相，因此第二升壓電路區塊124的操作在此不再贅述。

綜上所述，在本發明的範例實施例中，升壓電路用以依據第三電壓以及參考輸入端的電壓值將電壓準位移位電路的升壓輸入端升壓，以降低從第一電壓傳遞至第二電壓的轉態電流，並且提升輸出端的訊號轉態速度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電壓準位移位器

110‧‧‧電壓準位移位電路

120‧‧‧升壓電路

122‧‧‧第一升壓電路區塊

124‧‧‧第二升壓電路區塊

131、132、133、134‧‧‧反向器

MP1、MP2、MP3、MP4、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6‧‧‧電晶體

C1、C2‧‧‧電容器

VH、VCC、VSS‧‧‧電壓

IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、P1、P2、O1、O2、OUT‧‧‧端點

S1、S2、S3、S4、S5‧‧‧訊號

I1、I2‧‧‧電流

圖1繪示本發明一實施例之電壓準位移位器的概要示意圖。 圖2繪示圖1實施例之電壓準位移位器的電路結構圖示意圖。

Claims (14)

1. 一種電壓準位移位器，包括： 一電壓準位移位電路，包括一第一參考輸入端、一第二參考輸入端、一第一升壓輸入端以及一第二升壓輸入端，並且操作在一第一電壓以及一第二電壓之間；以及 一升壓電路，耦接至該電壓準位移位電路，用以依據該第一參考輸入端以及該第二參考輸入端的電壓值，將該第一升壓輸入端以及該第二升壓輸入端升壓，以降低從該第一電壓傳遞至該第二電壓的一轉態電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓準位移位器，其中該升壓電路操作在一第三電壓以及該第二電壓之間，並且依據該第三電壓將該第一升壓輸入端以及該第二升壓輸入端升壓，以降低從該第一電壓傳遞至該第二電壓的該轉態電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓準位移位器，其中該電壓準位移位電路包括： 一第一電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第一電晶體的該第一端耦接至該第一電壓； 一第二電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第二電晶體的該第一端耦接至該第一電壓，該第二電晶體的該第二端作為該電壓準位移位電路的一輸出端； 一第三電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第三電晶體的該第一端耦接至該第一電晶體的該第二端，該第三電晶體的該第二端耦接至該第二電晶體的該控制端，該第三電晶體的該控制端作為該第一升壓輸入端； 一第四電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第四電晶體的該第一端耦接至該第二電晶體的該第二端，該第四電晶體的該第二端耦接至該第一電晶體的該控制端，該第四電晶體的該控制端作為該第二升壓輸入端； 一第五電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第五電晶體的該第一端耦接至該第二電晶體的該控制端以及該第三電晶體的該第二端，該第五電晶體的該第二端耦接至該第二電壓，該第五電晶體的該控制端作為該第一參考輸入端；以及 一第六電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第六電晶體的該第一端耦接至該第一電晶體的該控制端以及該第四電晶體的該第二端，該第六電晶體的該第二端耦接至該第二電壓，該第六電晶體的該控制端作為該第二參考輸入端。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電壓準位移位器，其中一第一電流從該第一電晶體的該第一端經由該第一電晶體、該第三電晶體以及該第五電晶體傳遞至該第五電晶體的該第二端，一第二電流從該第二電晶體的該第一端經由該第二電晶體、該第四電晶體以及該第六電晶體傳遞至該第六電晶體的該第二端，以及該轉態電流是選自該第一電流以及該第二電流兩者其中之一。
5. 如申請專利範圍第3項所述的電壓準位移位器，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體以及該第四電晶體是P型金氧半電晶體，並且該第五電晶體以及該第六電晶體是N型金氧半電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電壓準位移位器，其中該電壓準位移位電路更包括一輸出端，該電壓準位移位電路從該第一參考輸入端以及該第二參考輸入端接收一差動輸入訊號，並且從該輸出端輸出一輸出訊號，其中該電壓準位移位電路將該差動輸入訊號從一第三電壓移位至該第一電壓以作為該輸出訊號。
7. 如申請專利範圍第3項所述的電壓準位移位器，其中該升壓電路包括： 一第一升壓電路區塊，耦接至該第三電晶體的該控制端以及該第五電晶體的該控制端；以及 一第二升壓電路區塊，耦接至該第四電晶體的該控制端以及該第六電晶體的該控制端。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電壓準位移位器，其中該第一升壓電路區塊包括： 一第七電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第七電晶體的該第一端耦接至一第三電壓，該第七電晶體的該第二端耦接至該第三電晶體的該控制端，該第七電晶體的該控制端接收一第一訊號； 一第八電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第八電晶體的該第一端耦接至該第三電晶體的該控制端以及該第七電晶體的該第二端，該第八電晶體的該第二端耦接至該第二電壓，該第八電晶體的該控制端接收一第二訊號；以及 一第一電容器，包括一第一端以及一第二端，該第一電容器的該第一端耦接至該第三電晶體的該控制端，該第一電容器的該第二端耦接至該第五電晶體的該控制端，其中該第五電晶體的該控制端接收一第三訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述的電壓準位移位器，其中該第一訊號與該第二訊號反相，該第一訊號與該第三訊號同相。
10. 如申請專利範圍第9項所述的電壓準位移位器，其中該第一升壓電路區塊更包括： 一第一反向器，包括一第一端以及一第二端，該第一反向器的該第一端耦接至該第七電晶體的該控制端，該第一反向器的該第二端耦接至該第八電晶體的該控制端；以及 一第二反向器，包括一第一端以及一第二端，該第二反向器的該第一端耦接至該第八電晶體的該控制端，該第二反向器的該第二端耦接至該第五電晶體的該控制端。
11. 如申請專利範圍第8項所述的電壓準位移位器，其中該第二升壓電路區塊包括： 一第九電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第九電晶體的該第一端耦接至該第三電壓，該第九電晶體的該第二端耦接至該第四電晶體的該控制端，該第九電晶體的該控制端接收該第二訊號； 一第十電晶體，包括一第一端、一第二端以及一控制端，該第十電晶體的該第一端耦接至該第三電晶體的該控制端以及該第九電晶體的該第二端，該第十電晶體的該第二端耦接至該第二電壓，該第十電晶體的該控制端接收一第四訊號；以及 一第二電容器，包括一第一端以及一第二端，該第二電容器的該第一端耦接至該第四電晶體的該控制端，該第二電容器的該第二端耦接至該第六電晶體的該控制端，其中該第六電晶體的該控制端接收一第五訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述的電壓準位移位器，其中該第二訊號與該第四訊號反相，該第二訊號與該第五訊號同相。
13. 如申請專利範圍第12項所述的電壓準位移位器，其中該第二升壓電路區塊更包括： 一第三反向器，包括一第一端以及一第二端，該第三反向器的該第一端耦接至該第九電晶體的該控制端，該第三反向器的該第二端耦接至該第十電晶體的該控制端；以及 一第四反向器，包括一第一端以及一第二端，該第四反向器的該第一端耦接至該第十電晶體的該控制端，該第四反向器的該第二端耦接至該第六電晶體的該控制端。
14. 如申請專利範圍第11項所述的電壓準位移位器，其中該第七電晶體、該第八電晶體、該第九電晶體以及該第十電晶體是N型金氧半電晶體。