CN100468934C - 电压转换器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电压转换器用以将一输入信号转换成一输出信号。当输入信号为高电位或外接电源为低电位时，第一反相模块反相输入信号以输出第一输出信号。当所述输入信号为低电位且外接电源为高电位时，第二反相模块使得所述第一输出信号为高电位。当所述第一输出信号为高电位时，第一反相保护电路输出一低电位的第二输出信号。当输入信号为高电位时，第二反相保护电路反相输入信号以输出一第三输出信号，其中第二输出信号和第三输出电位相反，闩锁电路接收第二和第三输出信号和一电压源，输出电路根据第二输出信号的电平输出一输出信号。

Description

电压转换器及其方法

技术领域

本发明有关于一种电压转换器，特别是有关于一种无漏电流的电压转换器。

背景技术

图1为显示传统电压转换器100的示意图。传统电压转换器100包括反相模块110、闩锁电路140、反相电路160和180以及输出电路195。反相模块110具有N通道金属氧化物半导体(Negative-Channel Metal OxideSemiconductor，NMOS)晶体管111和112以及P通道金属氧化物半导体(Positive-Channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)晶体管113，NMOS晶体管111具有一漏极以接收输入信号input、一栅极以接收电压源VDD和一源极接地，NMOS晶体管112具有一漏极以耦接节点121、一栅极接收输入信号Vin和一源极接地，PMOS晶体管113具有一漏极耦接节点121、一栅极接收输入信号Vin和一源极接收电压源VDD。

反相电路160具有NMOS晶体管161、163、164和165以及PMOS晶体管162，NMOS晶体管161具有一漏极耦接NMOS晶体管163的栅极、一栅极接收输入信号Vin和一源极接地，NMOS晶体管163具有一漏极耦接NMOS晶体管164、一栅极耦接NMOS晶体管161和一源极接地，NMOS晶体管164具有一漏极耦接NMOS晶体管165、一栅极接收电压源VDD和一源极耦接NMOS晶体管163，NMOS晶体管165具有一漏极耦接节点N1、一栅极接收电压源VBAT和一源极耦接NMOS晶体管164，PMOS晶体管162具有一漏极耦接NMOS晶体管161、一栅极接收输入信号Vin和一源极接收电压源VDD。其中电压源VDD可由电压源VBAT分压产生。

反相电路180具有NMOS晶体管181、183、184和185以及PMOS晶体管182，NMOS晶体管181具有一漏极耦接NMOS晶体管183的栅极、一栅极耦接节点121和一源极接地，NMOS晶体管183具有一漏极耦接NMOS晶体管184、一栅极耦接NMOS晶体管181和一源极接地，NMOS晶体管184具有一漏极耦接NMOS晶体管185、一栅极接收电压源VDD和一源极耦接NMOS晶体管183，NMOS晶体管185具有一漏极耦接节点N2、一栅极接收电压源VBAT和一源极耦接NMOS晶体管184，PMOS晶体管182具有一漏极耦接NMOS晶体管181、一栅极耦接节点121和一源极接收电压源VDD。

闩锁电路140包括PMOS晶体管141和142，PMOS晶体管141具有一漏极耦接节点N1、一栅极耦接节点N2和一源极耦接电压源VBAT，PMOS晶体管142具有一漏极耦接节点N2、一栅极耦接节点N1和一源极耦接电压源VBAT。输出电路195包括反相器196和197，反相器196耦接于电压源VBAT和电源VSS之间并具有一输入端耦接节点N1和一输出端耦接反相器197，反相器197耦接于电压源VBAT和电源VSS之间并具有一输入端耦接反相器196和一输出端以输出输出信号Vout。

由于传统电压转换器100可以应用于计算机***的逻辑单元中，当计算机***不提供电压源VDD或电压源VDD为低电位时，因为电压转换器100的节点N1为浮接，因此输出电路195的反相器196和197会产生漏电流。

发明内容

本发明提供一种电压转换器，偏压于一电压源与一接地电源间，用以将一输入信号转换成一输出信号，包括有:一第一反相模块以及一第二反相模块，均接收一外接电源和输入信号，用以输出一第一输出信号，其中当输入信号为高电位或当外接电源为低电位时，第一反相模块反相输入信号以输出第一输出信号，当输入信号为低电位且当外接电源为高电位时，第二反相模块使得第一输出信号为高电位；一第一反相保护电路，连接至第一反相模块以及第二反相模块，接收第一输出信号以输出一第二输出信号，当第一输出信号为高电位时，第一反相保护电路使得第二输出信号为低电位；一第二反相保护电路，连接至第二反相模块，接收输入信号以输出一第三输出信号，当输入信号为高电位时，第二反相保护电路使得第三输出信号为低电位，其中第三输出信号与第二输出信号电位相反；一闩锁电路，接收第二输出信号、第三输出信号和电压源；以及一输出电路，根据第二输出信号的电平输出输出信号。

本发明更提供一种电压转换方法，用以将输入信号转换成输出信号，包括:根据输入信号以及外接电源信号输出一第一输出信号，根据输入信号产生一第三输出信号；根据第一输出信号和第三输出信号产生一第二输出信号；根据第二输出信号产生输出信号。

附图说明

为让本发明的所述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，详细说明如下:

图1为显示传统电压转换器的示意图；以及

图2为显示根据本发明的电压转换器的示意图。

图3显示本发明输入信号，外接电源，各节点电压与输出信号的关系图。

主要元件符号说明

100～传统电压转换器

110～反相模块

111、112、161、163、164、165、181、183、184、185～NMOS晶体管

113、141、142、162、182～PMOS晶体管

121、N1、N2、X1、X2、X3、X4～节点

140、240～闩锁电路

160、180～反相电路

195、295～输出电路

196、197、235、296、297～反相器

200～电压转换器

210、230～反相模块

260、280～反相保护电路

R1、R2、R3、R4～电阻

C1、C2～电容

T1、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10～NMOS晶体管

T2、T3、T11、T12～PMOS晶体管

VDD～电压源

VSS～电源

Vout～输出信号

Vin～输入信号

Vex～外接电源

VBAT～电压源

具体实施方式

图2显示根据本发明一实施例的电压转换器200的示意图。电压转换器200包括反相模块210和230、反相保护电路260和280、闩锁电路240以及输出电路295。

反相模块210具有电阻R2、NMOS晶体管T1和PMOS晶体管T2和T3，电阻R2耦接于PMOS晶体管T3和电压源VBAT之间，NMOS晶体管T1具有一漏极耦接节点X1、一栅极接收输入信号Vin和一源极耦接电源VSS，PMOS晶体管T2具有一漏极耦接节点X1、一栅极耦接外接电源Vex和一源极耦接PMOS晶体管T3的漏极，PMOS晶体管T3具有一漏极耦接PMOS晶体管T2的源极、一栅极耦接输入信号Vin和一源极耦接电阻R2的一端。

反相模块230具有反相器235和NMOS晶体管T4。反相器235具有一输入端耦接节点X2以接收输入信号Vin和一输出端耦接NMOS晶体管T4，NMOS晶体管T4具有一漏极耦接节点X1、一栅极耦接外接电源Vex和一源极耦接反相器235的输出端，另外电阻R1耦接节点X2和电源VSS。

反相保护电路260包括NMOS晶体管T5、T6和T7、电阻R3和电容C1，NMOS晶体管T5具有一漏极耦接NMOS晶体管T6、一栅极耦接节点X1和一源极耦接电源VSS，NMOS晶体管T6具有一漏极耦接NMOS晶体管T7、一栅极耦接电阻R3和电容C1和一源极耦接NMOS晶体管T5，NMOS晶体管T7具有一漏极耦接节点X3、一栅极耦接电压源VBAT和一源极耦接NMOS晶体管T6，电阻R3耦接于NMOS晶体管T6的栅极和电压源VBAT之间，电容C1耦接于电阻R3和电源Vss之间。

反相保护电路280包括NMOS晶体管T8、T9和T10电阻R4和电容C2，NMOS晶体管T8具有一漏极耦接NMOS晶体管T9、一栅极耦接节点X2和一源极耦接电源VSS，NMOS晶体管T9具有一漏极耦接NMOS晶体管T10、一栅极耦接电阻R4和电容C2和一源极耦接NMOS晶体管T8，NMOS晶体管T10具有一漏极耦接节点X4、一栅极耦接电压源VBAT和一源极耦接NMOS晶体管T9，电阻R4耦接于NMOS晶体管T9的栅极和电压源VBAT之间，电容C2耦接于电阻R4和电源VSS之间。

闩锁电路240包括PMOS晶体管T11和T12，PMOS晶体管T11具有一漏极耦接节点X3、一栅极耦接节点X4和一源极耦接电压源VBAT，PMOS晶体管T12具有一漏极耦接节点X4、一栅极耦接节点X3和一源极耦接电压源VBAT。输出电路295包括反相器296和297，反相器296耦接于电压源VBAT和电源Vss之间并具有一输入端耦接节点X3和一输出端耦接反相器297，反相器297耦接于电压源VBAT和电源VSS之间并具有一输入端耦接反相器296和一输出端以输出输出信号Vout。

在本发明中，假设输入信号Vin和外接电源Vex的电压范围为0～0.9伏特(也可以是0～1.2伏特)，电压源VBAT为3.3伏特，电源VSS为接地电源，因此输出信号Vout的电压范围为0～3.3伏特，理论上，当输入信号Vin为低电压电平(例如:0伏特)时，输出信号Vout为低电压电平(例如:0伏特)，当输入信号Vin为高电压电平(例如:0.9伏特)时，输出信号Vout亦为高电压电平(例如:3.3伏特)。以下各别讨论四种不同情况。

请参考图2，本发明第一实施例，假设外接电源Vex和输入信号Vin为高电压电平(例如:0.9伏特)时，则节点X2为高电压电平，NMOS晶体管T8导通，NMOS晶体管T4导通，NMOS晶体管T1导通，节点X1为低电压电平，因此NMOS晶体管T5不导通。此外因为NMOS晶体管T6、T7、T9和T10的栅极的电位皆为电压源VBAT，因此NMOS晶体管T6、T7、T9和T10导通，所以节点X4为低电压电平，PMOS晶体管T11导通，因此节点X3为高电压电平(VBAT)，输出电路295接收来自节点X3的信号并输出高电压电平(例如:3.3伏特)的输出信号(Vout＝VBAT)。

请参考图2，本发明第二实施例，假设外接电源Vex为高电压电平(例如:0.9伏特)且输入信号Vin为低电压电平(例如:0伏特)时，则节点X2为低电压电平，NMOS晶体管T8不导通，NMOS晶体管T4导通，节点X1为高电压电平，使得NMOS晶体管T5导通。因为NMOS晶体管T6、T7、T9和T10的栅极的电位为电压源VBAT，因此NMOS晶体管晶体管T6、T7、T9和T10导通，节点X3为低电压电平，PMOS晶体管T12导通，X4为高电压电平，输出电路295接收来自节点X3的低电压电平的信号以输出低电压电平(例如:0伏特)的输出信号Vout。

请参考图2，本发明第三实施例，假设外接电源Vex为低电压电平(例如:0伏特)且输入信号Vin为高电压电平(例如:0.9伏特)时，则节点X2为高电压电平，NMOS晶体管T8导通，NMOS晶体管T4不导通，NMOS晶体管T1导通，节点X1为低电压电平，NMOS晶体管T5不导通。因为NMOS晶体管T6、T7、T9和T10的栅极的电位为电压源VBAT，因此NMOS晶体管晶体管T6、T7、T9和T10导通，节点X4为低电压电平，PMOS晶体管T11导通，节点X3为高电压电平，输出电路295接收来自节点X3的高电压电平的信号并输出高电压电平(例如:3.3伏特)的输出信号(Vout＝VBAT)。

请参考图2，本发明第四实施例，假设外接电源Vex和输入信号Vin皆为低电压电平(例如:0伏特)时，则节点X2为低电压电平，NMOS晶体管T8不导通，NMOS晶体管T4不导通，NMOS晶体管T2以及T3导通，因此节点X1为高电压电平，NMOS晶体管T5导通。NMOS晶体管T6、T7、T9和T10的栅极的电位为电压源VBAT，因此NMOS晶体管晶体管T6、T7、T9和T10导通，节点X3为低电压电平，PMOS晶体管T12导通，节点X4为高电压电平，输出电路295接收来自节点X3的低电压电平的信号以输出一低电压电平(例如:0伏特)的输出信号Vout。

图3所示为所述四个实施例中输入信号VIN以及外接电源Vex在不同情况下所得到的各节点电压以及输出信号Vout的关系图。由第三图可以发现电压转换器200不会因为外接电源Vex为低电压电位或高电压电位，而影响电压转换器200的运作。因此当电压转换器200接收输入信号Vin为低电压电位(例如:0伏特)时，电压转换器200输出低电压电位(例如:0伏特)，当电压转换器200接收输入信号Vin为高电压电位(例如:0.9伏特)时，电压转换器200则输出高电压电位(例如:3.3伏特)，不像传统电压转换器100一旦电压源VDD为低电位时，电压转换器100的节点N1为浮接，因此电压转换器100的输出电路195的反相器196和197会产生漏电流。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。

Claims (17)

1.一种电压转换器，偏压于一电压源与一接地电源间，用以将一输入信号转换成一输出信号，包括:

一第一反相模块以及一第二反相模块，均接收一外接电源和所述输入信号，用以输出一第一输出信号，其中当所述输入信号为高电位或当所述外接电源为低电位时，所述第一反相模块反相所述输入信号以输出所述第一输出信号，当所述输入信号为低电位且当所述外接电源为高电位时，所述第二反相模块使得所述第一输出信号为高电位；

一第一反相保护电路，连接至所述第一反相模块以及所述第二反相模块，接收所述第一输出信号以输出一第二输出信号，当所述第一输出信号为高电位时，所述第一反相保护电路使得所述第二输出信号为低电位；

一第二反相保护电路，连接至所述第二反相模块，接收所述输入信号以输出一第三输出信号，当所述输入信号为高电位时，所述第二反相保护电路使得所述第三输出信号为低电位，其中所述第三输出信号与所述第二输出信号电位相反；

一闩锁电路，接收所述第二输出信号、所述第三输出信号和所述电压源；以及

一输出电路，接收所述第二输出信号，用以根据所述第二输出信号的电平输出所述输出信号。

2.如权利要求1所述的电压转换器，还包括一第一电阻，耦接于所述第二反相模块的输入端和所述接地电源之间。

3.如权利要求1所述的电压转换器，其中所述输出电路包括:

一第一反相器，接收所述电压源和所述接地电源，将所述第二输出信号反相以输出一第四输出信号；以及

一第二反相器，接收所述电压源和所述接地电源，将所述第四输出信号反相以输出所述输出信号。

4.如权利要求1所述的电压转换器，其中所述第一反相模块包括:

一第一晶体管，漏极连接至所述第一反相保护电路，源极耦接所述接地电源，栅极接收所述输入信号；

一第二晶体管，漏极连接至所述第一晶体管的漏极，栅极接收所述外接电源；

一第三晶体管，漏极连接至所述第二晶体管的源极，栅极接收所述输入信号，源极接收所述电压源。

5.如权利要求4所述的电压转换器，其中所述第一反相模块还包括:一第二电阻的两端分别连接于所述电压源与所述第三晶体管的源极。

6.如权利要求1所述的电压转换器，其中所述第二反相模块包括:

一第三反相器，接收所述输入信号，用以将所述输入信号反相；以及

一第四晶体管，栅极接收所述外接电源，其中当所述外接电源为高电位时，输出所述输入信号的反相为所述第一输出信号。

7.如权利要求1所述的电压转换器，其中所述第一反相保护电路包括:

一第五晶体管，栅极接收所述第一输出信号，源极接收所述接地电源；

一第六晶体管，栅极接收所述电压源，源极与所述第五晶体管的漏极连接；以及

一第七晶体管，栅极接收所述电压源，漏极连接至所述闩锁电路，并输出所述第二输出信号，源极连接至该第六晶体管的漏极。

8.如权利要求7所述的电压转换器，其中所述闩锁电路包含有一第十二晶体管，栅极接收所述第二输出信号，源极接收所述电压源，漏极连接所述第二反相保护电路。

9.如权利要求7所述的电压转换器，其中所述第一反相保护电路还包括:一第三电阻，一端连接所述电压源，一端连接至所述第六晶体管的栅极；以及一第一电容，一端连接所述接地电源，一端连接至所述第六晶体管的栅极。

10.如权利要求1所述的电压转换器，其中所述第二反相保护电路包括:

一第八晶体管，栅极接收所述输入信号，源极连接所述接地电源；

一第九晶体管，栅极接收所述电压源，源极连接至所述第八晶体管的漏极；以及

一第十晶体管，栅极接收所述电压源，漏极连接至所述闩锁电路，并输出所述第三输出信号，源极连接至所述第九晶体管的漏极。

11.如权利要求10所述的电压转换器，其中所述闩锁电路包含有一第十一晶体管，栅极接收所述第三输出信号，源极接收所述电压源，漏极连接所述第一反相保护电路，其中当所述第一输出信号为低电位时，所述第十一晶体管使得所述第二输出信号为高电位。

12.如权利要求10所述的电压转换器，其中所述第二反相保护电路还包括:一第四电阻，一端连接所述电压源，一端连接至所述第九晶体管的栅极；以及一第二电容，一端连接所述接地电源，一端连接至所述第九晶体管的栅极。

13.一种电压转换方法，用以将一输入信号转换成一输出信号，所述方法包括:

根据所述输入信号的电位以及一外接电源信号的电位输出一第一输出信号；

根据所述输入信号的电位产生一第三输出信号；

根据所述第一输出信号的电位以及所述第三输出信号的电位产生一第二输出信号；以及

根据所述第二输出信号的电位产生所述输出信号。

14.如权利要求13的电压转换方法，其中当所述输入信号为高电位或当所述外接电源信号为低电位时，使得所述第一输出信号为所述输入信号的反相；其中当所述输入信号为低电位且所述外接电源信号为高电位时，使得所述第一输出信号为高电位。

15.如权利要求13的电压转换方法，其中当所述第一输出信号为高电位时，使得所述第二输出信号为低电位，且所述输出信号亦为低电位。

16.如权利要求13的电压转换方法，其中当所述输入信号为高电位时，使得所述第三输出信号为低电位，并使得所述第二输出信号为高电位且所述输出信号亦为高电位。

17.如权利要求13的电压转换方法，其中所述第二输出信号以及所述第三输出信号电位相反。

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