技术领域
[0001] 本
发明涉及
电子电
力技术领域，具体而言，涉及一种运用于级联输入输出
电路(cascade I/O circuit)的流出与流入电压调整器(source and sink voltage regulator)。
背景技术
[0002] 众所周知，为了让集成电路(IC)芯片具备较高操作速度以及较少的功率消耗(power consumption)，IC芯片内部的电路是以低耐压的晶体管来设计，例如1.8V耐压的晶体管。
[0003] 另外，由于IC芯片的输出垫(output pad)上需要提供较高的电压，例如3.3V的电压。因此，在输入输出电路(I/O circuit)的设计上，会将耐压1.8V的晶体管设计成级联连接(cascade connection)。
[0004] 举例来说，输入输出电路(I/O circuit)中，3.3V的
电源电压与输出垫(output pad)之间包括两个级联连接的P型晶体管。当输入输出电路提供0V至输入输出垫时，可以让每个P型晶体管的漏源端(source-drain)在耐压(1.8V)范围之内。
[0005] 同理，输入输出电路(I/O circuit)中，输出垫(output pad)与接地电压(GND)与之间包括两个级联连接的N型晶体管。当输入输出电路提供3.3V至输入输出垫时，可以让每个N型晶体管的源极(source-drain)在耐压(1.8V)范围之内。
[0006] 然而，在输入输出电路(I/O circuit)运行的过程中，P型晶体管或者N型晶体管的栅极电压需要适当的控制。否则晶体管栅源(gate-source)电压可能超过其耐压而损毁。
发明内容
[0007] 本发明涉及一种电压调整器，连接至一输入输出电路，该电压调整器包括：一控制电路，产生一第一参考电压、一第二参考电压、一第一电源启动控制
信号与一第二电源启动
控制信号；一流入电压产生器，接收该第一参考电压与该第一电源启动控制信号；以及一流出电压产生器，接收该第二参考电压与该第二电源启动控制信号；其中，于正常运行时，该控制电路不动作该第一电源启动控制信号与该第二电源启动控制信号，该流入电压产生器根据该第一参考电压产生一流入电压，且该流出电压产生器根据该第二参考电压产生一流出电压。
[0008] 为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举
实施例，并配合
说明书附图详细说明如下：
附图说明
[0009] 图1为本发明运用于级联输入输出电路(cascade I/O circuit)的电压调整器示意图。
[0010] 图2为本发明电压调整器示意图。
[0011] 图3A与图3B为本发明控制电路以及相关信号示意图。
[0012] 图4A为电压调整器中流入电压产生器的另一实施例。
[0013] 图4B为电压调整器中流出电压产生器的另一实施例。
[0014] 图4C为电压调整器中控制电路的另一实施例。
[0015] 附图标记说明：
[0016] 100：输入输出电路
[0017] 102：上拉电路
[0018] 104：下拉电路
[0019] 120：输出垫
[0020] 200：电压调整器
[0021] 210、310：流入电压产生器
[0022] 220、320：流出电压产生器
[0023] 230、330：控制电路
具体实施方式
[0024] 请参照图1，其所示出的为本发明运用于级联输入输出电路(cascade I/O circuit)的电压调整器示意图。输入输出电路100中包括上拉电路(pull-up circuit)102与下拉电路(pull-down circuit)104。
[0025] 上拉电路102中，级联连接的P型晶体管P1、P2连接于电源电压Vcc与输出垫120之间。再者，P型晶体管P1、P2的栅极分别接收栅极信号Cp1、Cp2。
[0026] 下拉电路104中，级联连接的N型晶体管N1、N2连接于输出垫120与接地电压GND之间。再者，N型晶体管N1、N2的栅极分别接收栅极信号Cn1、Cn2。
[0027] 当输入输出电路100欲输出电源电压Vcc至输出垫120时，上拉电路102动作(activate)栅极信号Cp1、Cp2以开启P型晶体管P1、P2，使得电源电压Vcc传递至输出垫120。同时，下拉电路104关闭输出垫120至接地电压GND之间的导电路径(conduction path)。
[0028] 当输入输出电路100欲输出接地电压GND至输出垫120时，下拉电路104动作(activate)栅极信号Cn1、Cn2以开启N型晶体管N1、N2，使得接地电压GND传递至输出垫120。同时，上拉电路102关闭输出垫120至电源电压Vcc之间的导电路径(conduction path)。
[0029] 为了防止上拉电路102产生不适当的栅极信号Cp1、Cp2，造成P型晶体管P1或P2的漏源端(source-drain)超过其耐压。本发明的电压调整器200提供一流入电压(sink voltage)Vsk，例如1.5V，至上拉电路102，作为上拉电路102内部的最
低电压电平。因此，上拉电路102内的所有信号皆会操作在电源电压Vcc与流入电压Vsk之间。
[0030] 同理，为了防止下拉电路104产生不适当的栅极信号Cn1、Cn2，造成N型晶体管N1或N2的漏源端(source-drain)超过其耐压。本发明的电压调整器200提供一流出电压(source voltage)Vse，例如1.8V，至下拉电路104，作为下拉电路104内部的最高电压电平。因此，下拉电路102内的所有信号皆会操作在流出电压Vse与接地电压GND之间。
[0031] 换言之，本发明的电压调整器200于正常运行时，提供流入电压Vsk至上拉电路102，使得上拉电路102内的最高电压电平为电源电压Vcc且最低电压电平为流入电压Vsk。
另外，本发明的电压调整器200于正常运行时，提供流出电压Vse至下拉电路104，使得下拉电路104内部的最高电压电平为流出电压Vse且最低电压电平为接地电压GND。
[0032] 以下以电源电压Vcc为3.3V、流入电压Vsk为1.5V、流出电压Vse为1.8V、接地电压GND为0V为例来说明输入输出电路100的运行。
[0033] 当输入输出电路100输出电源电压Vcc(3.3V)至输出垫120时，上拉电路102的栅极信号Cp1、Cp2皆为流入电压Vsk(1.5V)，使得P型晶体管P1、P2开启，电源电压Vcc(3.3V)传递至输出垫120。同时，下拉电路104中，栅极信号Cn1为流出电压(Vse)1.8V且栅极信号Cn2为接地电压GND(0V)，使得输出垫120至接地电压GND之间的导电路径(conduction path)被关闭。
[0034] 当输入输出电路100输出接地电压GND(0V)至输出垫120时，下拉电路104的栅极信号Cn1、Cn2皆为流出电压Vse(1.8V)，使得N型晶体管N1、N2开启，接地电压GND(0V)传递至输出垫120。同时，上拉电路102中，栅极信号Cp2为流入电压(Vsk)1.5V且栅极信号Cp1为电源电压Vcc(3.3V)，使得电源电压Vcc至输出垫120之间的导电路径(conduction path)被关闭。
[0035] 由以上的运行说明过程可知，不论输出垫120产生高电压(3.3V)或者低电压(0V)，将可确保输入输出电路100中的P型晶体管P1、P1以及N型晶体管N1、N2的任二端皆不会超过其耐压。
[0036] 请参照图2，其所示出的为本发明电压调整器示意图。电压调整器200包括：一流入电压产生器(sink voltage generator)210、一流出电压产生器(source voltage generator)220、一控制电路230。
[0037] 流入电压产生器210包括：一
运算放大器OP1、电容器C1、晶体管Mp1、Mn1。
运算放大器OP1正输入端接收一参考电压Vrp，负输入端连接至一
节点a。电容器C1连接于电源电压Vcc与节点a之间。晶体管Mp1栅极连接至运算放大器OP1输出端，第一端连接至节点a，第二端连接至接地电压GND。晶体管Mn1栅极接收一电源启动控制信号Ctrh，第一端连接至节点a，第二端连接至接地电压GND。另外，节点a可产生流入电压Vsk。
[0038] 流出电压产生器220包括：一运算放大器OP2、电容器C2、晶体管Mp2、Mn2。运算放大器OP2正输入端接收一参考电压Vrn，负输入端连接至一节点b。电容器C2连接于接地电压GND与节点b之间。晶体管Mn2栅极连接至运算放大器OP2输出端，第一端连接至节点b，第二端连接至电源电压Vcc。晶体管Mp2栅极接收一电源启动控制信号Ctrl，第一端连接至节点b，第二端连接至电源电压Vcc。另外，节点b可产生流出电压Vse。
[0039] 根据本发明的实施例，电压调整器200于正常运行时，控制电路230不动作(inactivate)电源启动控制信号Ctrh与Ctrl，且控制电路230分别提供参考电压Vrp与Vrn至流入电压产生器210与流出电压产生器220。因此，流入电压产生器210根据参考电压Vrp产生流入电压Vsk；流出电压产生器220根据参考电压Vrn产生流出电压Vse。举例来说，当参考电压Vrp为1.5V时，流入电压产生器210产生1.5V的流入电压Vsk。同理，当参考电压Vrn为1.8V时，流出电压产生器220产生1.8V的流出电压Vse。
[0040] 另外，于电压调整器200电源开启后的暂态期间，控制电路230动作(activate)电源启动控制信号Ctrh与Ctrl。此时，流入电压产生器210暂时地将接地电压GND作为流入电压Vsk，并且流出电压产生器220暂时地将电源电压Vcc作为流出电压Vse。
[0041] 由以上的说明可知，于电压调整器200电源开启后的暂态期间，流入电压产生器210内部的晶体管Mn1开启(turn on)，使得接地电压GND作为流入电压Vsk。同时，流出电压产生器220内部的晶体管Mp2开启(turn on)，使得电源电压Vcc作为流出电压Vse。
[0042] 再者，当电压调整器200正常运行时，流入电压产生器210内部的晶体管Mn1关闭(turn off)，运算放大器OP1与晶体管Mp1形成
负反馈连接，所以流入电压Vsk等于参考电压Vrp。同理，流出电压产生器220内部的晶体管Mp2关闭(turn off)，运算放大器OP2与晶体管Mn2形成负反馈连接，所以流出电压Vse等于参考电压Vrn。因此，当参考电压Vrp为1.5V时，流入电压Vsk也为1.5V；当参考电压Vrn为1.8V时，流出电压Vse也为1.8V。
[0043] 请参照图3A与图3B，其所示出的为本发明控制电路以及相关信号示意图。控制电路230中，
电阻r1连接于电源电压Vcc与节点c之间，电阻r2连接于节点c与节点d之间，电阻r3连接于节点d与接地电压GND之间。因此，电阻r1、r2与r3串接于电源电压Vcc与接地电压GND之间并形成一分压电路，使得节点c产生参考电压Vrn，节点d产生参考电压Vrp。
[0044] 晶体管m1栅极连接至节点d，第一端连接至电源电压Vcc。电阻r4连接于晶体管m1第二端与接地电压GND之间。晶体管m2栅极连接至晶体管m1第二端，第一端连接至电源电压Vcc。电阻r5连接于晶体管m2第二端与接地电压GND之间。再者，晶体管m2的第二端产生电源启动控制信号Ctrh。
[0045] 晶体管m3栅极连接至节点c，第一端连接至接地电压GND。电阻r6连接于晶体管m3第二端与电源电压Vcc之间。晶体管m4栅极连接至晶体管m3第二端，第一端连接至接地电压GND。电阻r7连接于晶体管m4第二端与电源电压Vcc之间。再者，晶体管m4的第二端产生电源启动控制信号Ctrl。
[0046] 如图3B所示，于时间点t0，电压调整器200电源开启，电源电压Vcc开始由0V上升至3.3V。
[0047] 时间点t0至时间点t1之间为暂态期间，约为10ms～20ms。于暂态期间，电源电压Vcc逐渐上升，节点c上的参考电压Vrn与节点d上的参考电压Vrp逐渐上升。此时，节点c的电压尚无法开启晶体管m3，且节点d的电压尚无法开启晶体管m1。
[0048] 由于晶体管m3关闭，使得晶体管m4开启，而电源启动控制信号Ctrl为接地电压GND(0V)，可视为低电平用以开启流出电压产生器220中的晶体管Mp2。同时，由于晶体管m1关闭，使得晶体管m2开启，而电源启动控制信号Ctrh为电源电压Vcc，可视为高电平用以开启流入电压产生器210中的晶体管Mn1。
[0049] 时间点t1之后电压调整器200正常运行，节点c的电压可开启晶体管m3且节点d的电压可开启晶体管m1。由于晶体管m3开启，使得晶体管m4关闭，而电源启动控制信号Ctrl为电源电压Vcc，可视为高电平用以关闭流出电压产生器220中的晶体管Mp2。同时，由于晶体管m1开启，使得晶体管m2关闭，而电源启动控制信号Ctrh为接地电压GND，可视为低电平用以关闭流入电压产生器210中的晶体管Mn1。此时，根据参考电压Vrn，流出电压产生器220产生的流出电压Vse约维持在1.8V。同时，根据参考电压Vrp，流入电压产生器210产生的流入电压Vsk由0V开始逐渐上升至1.5V。
[0050] 再者，本发明的电压调整器200内的控制电路230、流入电压产生器210与流出电压产生器220的电路有可以经过适当的
修改并实现本发明的目的。以下对其进行说明。
[0051] 请参照图4A，其所示出的为电压调整器中流入电压产生器的另一实施例。相较于图2的流入电压产生器210，其差异在于运算放大器OP3与晶体管Mn3之间的连接关系。其他部分则与图2的流入电压产生器210相同，不再赘述。
[0052] 流入电压产生器310中，运算放大器OP3负输入端接收一参考电压Vrp，正输入端连接至一节点a。晶体管Mn3栅极连接至运算放大器OP3输出端，第一端连接至节点a，第二端连接至接地电压GND。如此，运算放大器OP3与晶体管Mn3形成负反馈连接，所以流入电压Vsk等于参考电压Vrp。
[0053] 请参照图4B，其所示出的为电压调整器中流出电压产生器的另一实施例。相较于图2的流出电压产生器220，其差异在于运算放大器OP4与晶体管Mp3之间的连接关系。其他部分则与图2的流入电压产生器220相同，不再赘述。
[0054] 流出电压产生器320中，运算放大器OP4负输入端接收一参考电压Vrn，正输入端连接至一节点b。晶体管Mp3栅极连接至运算放大器OP4输出端，第一端连接至节点b，第二端连接至电源电压Vcc。如此，运算放大器OP4与晶体管Mp3形成负反馈连接，所以流出电压Vse等于参考电压Vrn。
[0055] 请参照图4C，其所示出的为电压调整器中控制电路的另一实施例。控制电路330中包括一带隙电路(band-gap circuit)332以及比较器CMP1、CMP2。带隙电路332可以输出准确的参考电压Vrp、Vrn。再者，比较器CMP1的正输入端接收参考电压Vrp，负输入端接收电源电压Vcc，输出端产生电源启动控制信号Ctrh。另外，比较器CMP2的负输入端接收参考电压Vrn，正输入端接收电源电压Vcc，输出端产生电源启动控制信号Ctrl。
[0056] 相同地，于电压调整器200电源开启后的暂态期间，控制电路330动作(activate)电源启动控制信号Ctrh与Ctrl。因此，流入电压产生器210或310的晶体管Mn1开启，流入电压产生器210或310暂时地将接地电压GND作为流入电压Vsk。同时，流出电压产生器220或320的晶体管Mp2开启，流出电压产生器220或320暂时地将电源电压Vcc作为流出电压Vse。
[0057] 另外，于电压调整器200正常运行时，控制电路330不动作(inactivate)电源启动控制信号Ctrh与Ctrl，且控制电路330分别提供参考电压Vrp与Vrn至流入电压产生器210或310与流出电压产生器220或320。因此，流入电压产生器210或330根据参考电压Vrp产生流入电压Vsk；流出电压产生器220或320根据参考电压Vrn产生流出电压Vse。
[0058] 基本上，本发明的电压调整器可以搭配任一控制电路、流入电压产生器与流出电压产生器来产生流入电压Vsk与流出电压Vse。举例来说，利用图3A的控制电路230搭配图4A的流入电压产生器310以及图2的流出电压产生器220，也可以产生流入电压Vsk与流出电压Vse。
[0059] 综上所述，本发明的优点在于提出一种电压调整器供应流入电压Vsk与流出电压Vse至级联输入输出电路，使得输入输出电路中的晶体管正常运行，不会超过其耐压。
[0060] 当然，本发明的实施例是以电源电压Vcc为3.3V，晶体管的耐压为1.8V为例来说明电压调整器与输入输出电路之间的运行关系。在此领域的技术人员也可以经过修改而将本发明所公开的技术运用于电源电压为5.0V，晶体管耐压为3.3V的电压调整器与输入输出电路。
[0061] 综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作各种的变动与润饰。因此，本发明的保护范围当视
权利要求所界定者为准。
