TWI520492B

TWI520492B - 轉壓器

Info

Publication number: TWI520492B
Application number: TW103122517A
Authority: TW
Inventors: 鄭彥誠
Original assignee: 旭曜科技股份有限公司
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-02-01
Also published as: TW201601461A

Description

轉壓器

本發明係有關一種轉壓器，尤指一種能有效縮減布局面積的轉壓器。

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，是介面電路中的重要構築方塊。譬如說，在驅動顯示面板的源極驅動器(source driver)晶片中，晶片中原始控制信號的信號範圍可以是0到1.5伏特，然而輸出驅動顯示面板的源極時，所需的信號範圍可能就要轉換擴大到-5到0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-5到0伏特的輸出信號。由於此種轉換是將輸入信號的信號範圍下限轉換為輸出信號的信號範圍上限，故可視為一種轉負壓的操作。

請參考第1圖，其所示意的是一習知轉壓器10，用以達成轉負壓的目的。在習知技術中，若要將信號範圍介於電壓VSS至VPP的輸入信號IN轉負壓為信號範圍在電壓VSSL至VSS間的輸出信號OUT，習知轉壓器10必須經過三階段才能實現此種轉負壓運作。

在轉壓器10中，轉壓器LS1、反相器INV0與另一轉壓器LS2即分別進行上述三階段的轉換，其中，運作於電壓VPP至VSSH的轉壓器LS1進行第一重轉壓，將輸入信號IN轉換為信號OUTa，使信號OUTa的信號範圍在電壓VSSH至VPP之間；運作於電壓VSS至VSSH的反相器INV0進行第二重轉壓，將信號OUTa轉換為信號OUTb，並使信號OUTb的信號範圍落在電壓VSSH至VSS之間；最後，運作於電壓VSS至VSSL的轉壓器LS2則進行第三重轉壓，將信號OUTb轉換為輸出信號OUT，使輸出信號OUT的信號範圍能在電壓VSSL至VSS之間。在上述各重轉換中，舉例來說，電壓VSSL、VSSH、VSS與VPP可分別為-5、-1.5、0，及1.5伏特，用以將0至1.5伏特的輸入信號IN轉負壓為-5至0伏特的輸出信號OUT。

雖然輸入信號IN的信號範圍下限相當於輸出信號 OUT的信號範圍上限(均為電壓VSS)，不過在上述各重轉換中，當轉換器LS1、LS2與反相器INV0各自在輸出入信號範圍間進行轉換時，都只能基於相同的信號範圍上限或下限進行轉換。也就是說，轉換器LS1是以輸出入信號的信號範圍上限為基準而進行轉換，輸入信號IN的信號範圍上限需與信號OUTa的信號範圍上限(即電壓VPP)相等。反相器INV0則是基於共同的輸出入信號範圍下限而進行轉換，信號OUTa的信號範圍下限與信號OUTb的信號範圍下限相等。轉換器LS2則在輸出入信號間以相同的信號範圍上限進行轉換，信號OUTb的信號範圍上限須與輸出信號OUT的信號範圍上限相等。綜合上述三重轉換，習知轉壓器10才能實現轉負壓的目的。

更進一步說明，習知轉換器10須以三個電路(轉壓器LS1、LS2與反相器INV0)分別進行三重轉換的原因之一是要確保各電路中的電晶體不會因過大的電壓差而造成崩潰損壞，其中，在將信號轉換至較大信號範圍時，各電晶體在各極間的電壓差也會變大，進而影響電晶體的可靠度。不過，由於在三重轉換架構下，轉壓器LS1、LS2與反相器INV0的布局面積總和也會較大，使得習知轉壓器10的整體布局面積無法有效縮減。

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N型電晶體，具有一第一汲極連接至一第一電源電壓，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節點；一第二N型電晶體，具有一第二汲極連接至該第一電源電壓，一第二閘極接收反相的該輸入信號，以及一第二源極連接至一第二節點；一第一P型電晶體，具有一第三源極連接至該第一節點，一第三汲極連接至一第三節點，以及一第三閘極連接至一第四節點；一第二P型電晶體，具有一第四源極連接至該第二節點，一第四汲極連接至該第四節點，以及一第四閘極連接至該第三節點，其中該第三節點產生該輸出信號，且該第四節點產生反相的該輸出信號；一第三N型電晶體，具有一第五汲極連接至該第三節點，一第五源極連接至一第二電源電壓，以及一第五閘極連接至該第四節點；一第四N型電晶體，具有一第六汲極連接至該第四節點，一第六源極連接至該第二電源電壓，以及一第六閘極連接至該第三節點；以及一開關單元，連接於該第三節點與該第四節點之間，於該輸入信號轉換準位時，控制該開關單元根據一致能訊號用以關閉一時間周期後斷開，進而使得該輸出信號轉換準位；其中，該輸出信號具有一第一準位時為該第一電源電壓，該輸出信號具有一第二準位時為該第二電源電壓，該第一電源電壓大於該第二電源電壓，以及該第二電源電壓為負值。

本發明更提出一種轉壓器，用以將一輸入信號轉換為一輸出信號，包括：一第一N型電晶體，具有一第一汲極連接至一第一電源電壓，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節點；一第二N型電晶體，具有一第二汲極連接至該第一電源電壓，一第二閘極接收反相的該輸入信號，以及一第二源極連接至一第二節點；一第三節點，產生該輸出信號；一第四節點，產生反相的該輸出信號；一第一P型電晶體，具有一第三源極連接至該第一節點，一第三汲極，以及一第三閘極連接至該第四節點；一第二P型電晶體，具有一第四源極連接至該第二節點，一第四汲極，以及一第四閘極連接至該第三節點；一第一開關，連接於第一P型電晶體的該第三汲極與該第三節點之間，並根據一第一致能信號動作；一第二開關，連接於該第二P型電晶體的該第四汲極與該第四節點之間，並根據該第一致能信號動作；一第三N型電晶體，具有一第五汲極連接至該第三節點，一第五源極連接至一第二電源電壓，以及一第五閘極連接至該第四節點；一第四N型電晶體，具有一第六汲極連接至該第四節點，一第六源極連接至該第二電源電壓，以及一第六閘極連接至該第三節點；以及一開關單元，連接於該第三節點與該第四節點之間，用以根據一第二致能信號於該輸入信號轉換準位時，控制該開關單元關閉一時間周期後斷開，進而使得該輸出信號轉換準位；其中，該輸出信號具有的一第一準位時為該第一電源電壓，該輸出信號具有一第二準位時為該第二電源電壓，該第一電源電壓大於該第二電源電壓，該第二電源電壓為負值，以及該第一開關與該第二開關係根據該第一致能信號於該時間周期內斷開。

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‧‧‧轉壓器

20‧‧‧轉壓器

30‧‧‧轉壓器

40‧‧‧轉壓器

LS1、LS2‧‧‧轉壓器

INV0‧‧‧反相器

MN1、MN2、MN3、MN4‧‧‧N型電晶體

MP1、MP2‧‧‧P型電晶體

SW、SW1、SW2、SW3、SW4‧‧‧開關

VSS‧‧‧第一電源電壓

IN‧‧‧輸入信號

INB‧‧‧反相輸入信號

a、b、c、d‧‧‧第一至第四節點

EN‧‧‧致能信號

OUT‧‧‧輸出信號

OUTB‧‧‧反相輸出信號

VSSL‧‧‧第二電源電壓

第1圖所示意的是一習知轉壓器。

第2A圖與第2B圖所繪示為本發明的轉壓器的第一實施例及其相關信號示意圖。

第3圖所繪示為本發明的轉壓器的第二實施例。

第4圖所繪示為本發明的轉壓器的第三實施例。

本發明利用少數幾個電晶體來組成轉壓器，並實現轉負壓的目的。再者，以下實施例係以輸入信號(IN)與反相輸入信號(INB)的信號範圍為1.5伏特至0伏特區間，且輸出信號(OUT)與反相輸出信號(OUTB)的信號範圍為0伏特與-5伏特區間。然而本發明並非限定於此。

請參照第2A圖與第2B圖，其所繪示為本發明的轉壓器的第一實施例及其相關信號示意圖。其中，轉壓器20包括：一開關(SW)、第一N型電晶體(MN1)、第二N型電晶體(MN2)、第三N型電晶體(MN3)、第四N型電晶體(MN4)、第一P型電晶體(MP1)、與第二P型電晶體(MP2)。再者，第一電源電壓(VSS)為0伏特，第二電源電壓(VSSL)為-5伏特。

第一N型電晶體(MN1)汲極連接至第一電源電壓 (VSS)；閘極接收輸入信號(IN)；源極連接至第一節點(a)。第二N型電晶體(MN2)汲極連接至第一電源電壓(VSS)；閘極接收反相輸入信號(INB)；源極連接至第二節點(b)。

第一P型電晶體(MP1)源極連接至第一節點(a)；汲極連接至第三節點(c)；閘極連接至第四節點(d)。第二P型電晶體(MP2)源極連接至第二節點(b)；汲極連接至第四節點(d)；閘極連接至第三節點(c)。

第三N型電晶體(MN3)汲極連接至第三節點(c)；源極連接至第二電源電壓(VSSL)；閘極連接至第四節點(d)。第四N型電晶體(MN4)汲極連接至第四節點(d)；源極連接至第二電源電壓(VSSL)；閘極連接至第三節點(c)。

開關(SW)連接於第三節點(c)與第四節點(d)之間，且該開關受控於致能信號(EN)。再者，第三節點(c)可產生輸出信號(OUT)，第四節點(d)可產生反相輸出信號(OUTB)。

當轉壓器20處於第一穩定狀態(steady state)時，致能信號(EN)為禁能(disable)，輸入信號(IN)為1.5伏特；反相輸入信號(INB)為0伏特；輸出信號(OUT)為0伏特的第一電源電壓(VSS)；反相輸出信號(OUTB)為-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。很明顯地，於第一穩定狀態時，開關(SW)為斷開(open)；第一N 型電晶體(MN1)開啟(turn on)；第二N型電晶體(MN2)不開啟(turn off)；第一P型電晶體(MP1)開啟(turn on)；第二P型電晶體(MP2)不開啟(turn off)；第三N型電晶體(MN3)不開啟(turn off)；第四N型電晶體(MN4)開啟(turn on)。

當輸入信號(IN)由1.5伏特轉換為0伏特，且反相輸入信號(INB)由0伏特轉換為1.5伏特時，致能信號(EN)為禁能(disable)，輸出信號(OUT)維持在0伏特的第一電源電壓(VSS)，反相輸出信號(OUTB)維持在-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。

此時，開關(SW)為斷開(open)；第一N型電晶體 (MN1)與第一P型電晶體(MP1)皆不開啟(turn off)，使得第一節點(a)為浮接狀態(floating)；第二N型電晶體(MN2)開啟(turn off)且第二P型電晶體(MP2)不開啟(turn off)，使得第二節點(b)為0伏特的第一電源電壓(VSS)；第三N型電晶體(MN3)不開啟(turn off)；第四N型電晶體(MN4)開啟(turn on)。

接著，利用致能信號(EN)短暫地致能(enable)開關 (SW)後再次禁能(disable)，使得開關(SW)短暫的關閉(close)又斷開(open)。於開關(SW)關閉的短暫時間周期中，由於第三節點(c)與第四節點(d)之間短路，造成電賀分享(charge sharing)使得第三節點(c)與第四節點(d)的電壓變化至相同的電壓(例如-2.5伏特)。亦即，第三節點(c)的電壓由0伏特的第一電源電壓(VSS)下降至-2.5伏特，第四節點(d)的電壓由-5伏特的第二電源電壓(VSSL)上升至-2.5伏特。

由於第三節點(c)的電壓下降至-2.5伏特，將使得第二P型電晶體(MP2)開啟(turn on)且第四N型電晶體(MN4)不開啟(turn off)，使得第四節點(d)的電壓由-2.5伏特繼續上升至0伏特的第一電源電壓(VSS)。再者，第三N型電晶體(NM3)由於第四節點(d)的電壓升高而開啟(turn on)，使得第三節點(c)的電壓由-2.5伏特繼續下降至-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。

由以上的說明可知，當輸入信號(IN)由1.5伏特轉換為0伏特，且反相輸入信號(INB)由0伏特轉換為1.5伏特時，只要利用致能信號(EN)控制開關(SW)短暫的關閉(close)又斷開(open)，即可順利地讓第三節點(c)的電壓由0伏特的第一電源電壓(VSS)變化至-5伏特的第二電源電壓(VSSL)，並讓第四節點(d)的電壓由-5伏特的第二電源電壓(VSSL)變化升至0伏特的第一電源電壓(VSS)。之後，即維持在第二穩定狀態。

當轉壓器20處於第二穩定狀態時，致能信號(EN) 為禁能(disable)，輸入信號(IN)為0伏特；反相輸入信號(INB)為1.5伏特；輸出信號(OUT)為-5伏特的第二電源電壓(VSSL)；反相輸出信號(OUTB)為0伏特的第一電源電壓(VSS)。很明顯地，於第二穩定狀態時，開關(SW)為斷開(open)；第一N型電晶體(MN1)不開啟(turn off)；第二N型電晶體(MN2)開啟(turn on)；第一P型電晶體(MP1)不開啟(turn off)；第二P型電晶體(MP2)開啟(turn on)；第三N型電晶體(MN3)開啟(turn on)；第四N型電晶體(MN4)不開啟(turn off)。

當輸入信號(IN)由0伏特轉換為1.5伏特，且反相輸入信號(INB)由1.5伏特轉換為0伏特時，致能信號(EN)為禁能(disable)，輸出信號(OUT)維持在-5伏特的第二電源電壓(VSSL)，反相輸出信號(OUTB)維持在0伏特的第一電源電壓(VSS)。

此時，開關(SW)為斷開(open)；第一N型電晶體 (MN1)開啟(turn off)，而第一P型電晶體(MP1)不開啟(turn off)，使得第一節點(a)為0伏特的第一電源電壓(VSS)；第二N型電晶體(MN2)與第二P型電晶體(MP2)皆不開啟(turn off)，使得第二節點(b)為浮接狀態(floating)；第三N型電晶體(MN3)開啟(turn on)；第四N型電晶體(MN4)不開啟(turn off)。

接著，利用致能信號(EN)短暫地致能(enable)開關 (SW)後再次禁能(disable)，使得開關(SW)短暫的關閉(close)又斷開(open)。於開關(SW)關閉的短暫時間周期中，由於第三節點(c)與第四節點(d)之間短路，造成電賀分享(charge sharing)使得第三節點(c)與第四節點(d)的電壓變化至相同的電壓(例如-2.5伏特)。亦即，第三節點(c)的電壓由-5伏特的第二電源電壓(VSSL)上升至-2.5伏特；且第四節點(d)的電壓由0伏特的第一電源電壓(VSS)下降至-2.5伏特。

由於第四節點(d)的電壓下降至-2.5伏特，將使得第一P型電晶體(MP1)開啟(turn on)且第三N型電晶體(MN3)不開啟(turn off)，使得第三節點(c)的電壓由-2.5伏特繼續上升至0伏特的第一電源電壓(VSS)。再者，第四N型電晶體(NM4)由於第三節點(c)的電壓升高而開啟(turn on)，使得第四節點(d)的電壓由-2.5伏特繼續下降至-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。

由以上的說明可知，當輸入信號(IN)由0伏特轉換為1.5伏特，且反相輸入信號(INB)由1.5伏特轉換為0伏特時，只要利用致能信號(EN)控制開關(SW)短暫的關閉(close)又斷開(open)，即可順利地讓第三節點(c)的電壓由-5伏特的第二電源電壓(VSSL)變化升至0伏特的第一電源電壓(VSS)，並讓第四節點(d)的電壓由0伏特的第一電源電壓(VSS)變化至-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。之後，即維持在第一穩定狀態。

而隨著輸入信號(IN)與反相輸入信號(INB)的變化，僅需要利用致能信號(EN)控制開關(SW)短暫的關閉(close)又斷開(open)。即可使得轉壓器20在第一穩定狀態與第二穩定狀態之間變化。

如第2B圖所示，於時間點t1之前為第一穩定狀態。於時間點t1時，輸入信號(IN)與反相輸入信號(INB)開始轉換準位。由於時間點t1與時間點t2之間，致能信號(EN)短暫致能(enable)，使得輸出信號(OUT)與反相輸出信號(OUTB)順利轉換準位。而在時間點t2至時間點t3之間為第二穩定狀態。其中，致能信號(EN)短暫致能(enable)的時間周期約為10ns~40ns。

同理，於時間點t3時，輸入信號(IN)與反相輸入信號(INB)開始轉換準位。由於時間點t3與時間點t4之間，致能信號(EN)短暫致能(enable)，使得輸出信號(OUT)與反相輸出信號(OUTB)順利轉換準位。而在時間點t4之後回復為第一穩定狀態。其中，致能信號(EN)短暫致能(enable)的時間周期約為10ns~40ns。

根據本發明的實施例，開關(SW)可以利用電晶體來實現，例如N型電晶體。當致能信號(EN)為0伏特時，使得開關(SW)被致能而關閉(close)；當致能信號(EN)為-5伏特時，使得開關(SW)被禁能而斷開(open)。

由以上的說明可知，本發明第一實施例包含開關總共僅需要七個電晶體，因此轉壓器20的整體布局面積將可大幅地縮減。再者，本發明的轉壓器20更利用致能信號(EN)來控制開關(SW)，來實現轉壓器20轉負壓的目的。

請參照第3圖，其所繪示為本發明的轉壓器的第二實施例。其中，轉壓器30包括：第一開關(SW1)、第二開關(SW2)、第一N型電晶體(MN1)、第二N型電晶體(MN2)、第三N型電晶體(MN3)、第四N型電晶體(MN4)、第一P型電晶體(MP1)、與第二P型電晶體(MP2)。再者，第一電源電壓(VSS)為0伏特，第二電源電壓(VSSL)為-5伏特。

第一N型電晶體(MN1)至第四N型電晶體(MN4)，第一P型電晶體(MP1)與第二P型電晶體(MP2)的連接關係相同於第一實施例，此處不再贅述。

與第一實施例的差異在於，利用致能信號(EN)來同時控制第一開關(SW1)與第二開關(SW2)。並且，第一開關(SW1)的第一端連接至該第三節點(c)，第二端連接至該第二電源電壓(VSSL)；第二開關(SW2)的第二端連接至該第四節點(d)，第二端連接至該第二電源電壓(VSSL)。

運第二實施例轉壓器30的連接關係，當輸入信號(IN)以及反相輸入信號(INB)轉換其準位時，利用致能信號(EN)讓第一開關(SW1)與第二開關(SW2)短暫的關閉(close)又斷開(open)，即可讓第三節點(c)與第四節點(d)的電壓變化至相同的電壓(例如-5伏特)。如此，也可以讓輸出信號(OUT)與反相輸出信號(OUTB)順利轉換準位。

舉例來說，當轉壓器30處於第一穩定狀態(steady state)時，致能信號(EN)為禁能(disable)，輸入信號(IN)為1.5伏特；反相輸入信號(INB)為0伏特；輸出信號(OUT)為0伏特的第一電源電壓(VSS)；反相輸出信號(OUTB)為-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。意即，於第一穩定狀態時，第一開關(SW1)與第二開關(SW2)皆為為斷開(open)；第一N型電晶體(MN1)開啟(turn on)；第二N型電晶體(MN2)不開啟(turn off)；第一P型電晶體(MP1)開啟(turn on)；第二P型電晶體(MP2)不開啟(turn off)；第三N型電晶體(MN3)不開啟(turn off)；第四N型電晶體(MN4)開啟(turn on)。

此時，第一開關(SW1)與第二開關(SW2)皆為斷開 (open)；第一N型電晶體(MN1)與第一P型電晶體(MP1)皆不開啟(turn off)，使得第一節點(a)為浮接狀態(floating)；第二N型電晶體(MN2)開啟(turn off)且第二P型電晶體(MP2)不開啟(turn off)，使得第二節點(b)為0伏特的第一電源電壓(VSS)；第三N型電晶體(MN3)不開啟(turn off)；第四N型電晶體(MN4)開啟(turn on)。

接著，利用致能信號(EN)短暫地致能(enable)第一開關(SW1)與第二開關(SW2)後再次禁能(disable)，使得第一開關(SW1)與第二開關(SW2)同時短暫的關閉(close)又斷開(open)。於第一開關(SW1)與第二開關(SW2)關閉的短暫時間周期中，將使得第三節點(c)與第四節點(d)的電壓變化至相同的電壓(例如-5伏特的第二電源電壓(VSSL))。

由於第三節點(c)的電壓下降至-5伏特，將使得第二 P型電晶體(MP2)開啟(turn on)且第四N型電晶體(MN4)不開啟(turn off)，使得第四節點(d)的電壓由-5伏特繼續上升至0伏特的第一電源電壓(VSS)。再者，第三N型電晶體(NM3)由於第四節點(d)的電壓升高而開啟(turn on)，使得第三節點(c)的電壓維持在-5伏特的第二電源電壓(VSSL)。之後，即維持在第二穩定狀態。

而利用相同的方式，可由第二穩定狀態變化至第一穩定狀態。此處不再贅述。

當然，第二實施例中，第一開關(SW1)與第二開關 (SW2)的第二端並非限定於連接至第二電源電壓(VSSL)。第一開關(SW1)與第二開關(SW2)的第二端也可以連接至一參考電壓，該參考電壓例如介於-2.5伏特與-5伏特之間，也可以讓轉壓器30正常運作。

為了防止開關在關閉時造成短路電流而造成過多的能量耗損。本發明提出轉壓器的第三實施例，用以防止短路電流的產生。

請參照第4圖，其所繪示為本發明轉壓器的第三實施例。與第二實施例的差異在於，第一P型電晶體(MP1)汲極與第三節點(c)之間連接一第三開關(SW3)，第二P型電晶體(MP2)汲極與第四節點(c)之間連接一第四開關(SW4)。再者，第一開關(SW1)與第二開關(SW2)係受控於第一致能信號(EN1)；第三開關(SW3)與第四開關(SW4)係受控於第二致能信號(EN2)。其中，第一開關(SW1)與第二開關(SW2)係受控於第一致能信號(EN1)，且第一致能信號(EN1)的動作方式相同於第二實施例。其詳細動作原理不再贅述。

根據本發明的第三實施例，在第一開關(SW1)與第二開關(SW2)為關閉(close)的時間周期中，第三開關(SW3)與第四開關(SW4)會斷開(open)，而第三開關(SW3)與第四開關(SW4)在其他時間皆會關閉(close)。換句話說，當第一開關(SW1)與第二開關(SW2)關閉，並且使得第三節點(c)與第四節點(d)之短路的時間周期中，第三開關(SW3)與第四開關(SW4)會斷開(open)。因此，可以防止第一電源電壓(VSSL)與第三節點(c)之間，或者防止第一電源電壓(VSSL)與第四節點(d)之間產生短路電流。

再者，利用相同的動作方式，第三開關(SW3)與第四開關(SW4)運用於第一實施例，一樣也可以防止短路電流的發生。亦即，於第一實施例的轉壓器中，第一P型電晶體(MP1)汲極與第三節點(c)之間新增一第三開關(SW3)，第二P型電晶體(MP2)汲極與第四節點(c)之間新增一第四開關(SW4)。其詳細動作原理不再贅述。

由上述的說明可知，本發明的轉壓器僅由少數的電晶體所組成，因此轉壓器的整體布局面積將可大幅地縮減，並且實現轉壓器轉負壓的目的。

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。