JP4001583B2

JP4001583B2 - 高出力電圧シフト装置

Info

Publication number: JP4001583B2
Application number: JP2004047864A
Authority: JP
Inventors: 崑宗林
Original assignee: 凌陽科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005204268A; US20050151574A1; TWI231648B; TW200524280A

Description

本発明は一種の高出力電圧シフト装置に係り、特に高電圧変換に用いられる高出力電圧シフト装置に関する。

高出力電圧シフト装置は通常低電圧の制御信号を高電圧の制御信号に変換するのに用いられ、例えば、液晶ディスプレイに応用される時、通常、２０〜４０ボルトの高電圧によりＴＦＴをオンする必要があるが、その入力信号は一般に３ボルトであるため、高出力電圧シフト装置によりシフトを行なうことが必要である。

図１は周知の高出力電圧シフト装置の表示図である。それは二つのｐ型ＭＯＳ１１、１２、二つのｎ型ＭＯＳ１３、１４、及び一つのインバータ１５を具えている。ｐ型ＭＯＳ１１、１２のソースは高電圧を提供する高電圧準位電圧ノード（ＨＶＤＤ）に接続され、ｎ型ＭＯＳ１３、１４のソースは接地（ＧＮＤ）される。ｐ型ＭＯＳ１１のドレインはｎ型ＭＯＳ１３のドレインに接続され、ｐ型ＭＯＳ１２のドレインはｎ型ＭＯＳ１４のソースといずれもノードＮＤ１に接続されている。ｐ型ＭＯＳ１２とｎ型ＭＯＳ１４のドレインはいずれも出力端１６２に接続され、且つノードＮＤ１は並びにｐ型ＭＯＳ１１及びｐ型ＭＯＳ１２のゲートに接続され、電圧入力端１６１は直接ｎ型ＭＯＳ１３のゲートに接続され、並びにインバータ１５を通してｎ型ＭＯＳ１４のゲートに接続され、且つ上述のｐ型ＭＯＳ１１とｐ型ＭＯＳ１２が電流ミラー回路を形成している。

電圧入力端１６１が低電圧（例えば０ボルト）を入力する時、ｎ型ＭＯＳ１３が切断され、ｎ型ＭＯＳ１４が導通し、別にｐ型ＭＯＳ１１からｎ型ＭＯＳ１３に至る電流経路もまたｎ型ＭＯＳ１３の切断により電流が流れず、ゆえにｐ型ＭＯＳ１２にあってミラー電流は生成せず、ゆえに出力端１６２の電位が低電位（０ボルト）とされる。電圧入力端１６１が高電圧（例えば５ボルト）を入力する時、ｎ型ＭＯＳ１３が導通し、ｎ型ＭＯＳ１４が切断され、ｎ型ＭＯＳ１３が導通することにより、ｐ型ＭＯＳ１１からｎ型ＭＯＳ１３に至る電流経路に電流が発生し、ｐ型ＭＯＳ１２上にミラー電流が生成される。ｎ型ＭＯＳ１４が切断されるため、ｐ型ＭＯＳ１２が生成するミラー電流により出力端１６２がＨＶＤＤの電圧準位（例えば５ボルト）となる。

このような方法の高出力電圧シフト装置は高電圧素子が占用する空間の問題により、全体回路の占用面積を小さくすることができるが、それは厳重な直流電力消耗状況を発生し、即ち電流ミラー回路中のアクティブ負荷経路上に直流電流が発生する。
図２は上述の回路の高出力電圧シフト装置の表示図であり、それは双電流ミラーにより差動増幅信号を生成して図１に示される周知の高出力電圧シフト装置に直流漏電が発生する欠点を改善する。ただしこのような回路は高出力電圧シフト装置とされる時、少なくとも８個の高圧工程素子を必要とし、実用性の面で改善の余地がある。

本発明の目的は、比較的少ない高圧工程素子を採用して達成されて回路面積を小さくすることのできる高出力電圧シフト装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、静態時に直流電力消耗の状況を発生しない高出力電圧シフト装置を提供することにある。

本発明は一種の高出力電圧シフト装置を提供し、それは、入力ステージ回路、電流ミラー回路、及び電流経路スイッチを具えている。該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は低電圧信号を受け取り、該低電圧信号により該第１スイッチ或いは第２スイッチを導通させる。そのうち、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通しない。上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は高準位電圧源に接続されている。該第３スイッチと第１スイッチの間に電流経路スイッチが接続されて、該第３スイッチ、該電流経路スイッチ、及び該第１スイッチが電流経路を形成し、該第４スイッチと第２スイッチは直接接続され、第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチが駆動され、高準位電圧信号を出力し、並びに電流ミラー電流を生成し、該電流ミラー電流により該電流経路スイッチを制御して該電流経路の電流を切断する。

本発明はまた一種の高出力電圧シフト装置を提供し、それは、入力ステージ回路、電流ミラー回路を具えている。該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は第１電圧ノードに接続され、該第１電圧ノードが入力する電圧信号により該第１スイッチ或いは第２スイッチが制御され、そのうち、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通しない。上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は第２電圧ノードに接続され、該電流ミラー回路は入力ステージ回路に接続され、且つ該電流ミラー回路と該入力ステージ回路の間に電流スイッチが設けられ、第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチの導通或いは切断が制御され、これにより高準位電圧信号を出力する。そのうち、第３スイッチと第４スイッチが導通する時に直流電流と電流ミラー電流が生成され、該電流ミラー電流により該電流スイッチが制御されて該直流電流を切断する。

請求項１の発明は、入力ステージ回路、電流ミラー回路を具えて入力信号の電圧準位を異なる電圧準位に変換する高出力電圧シフト装置であり、
該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は低電圧信号を受け取り、該低電圧信号により第１スイッチ或いは第２スイッチを導通させ、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通せず、
上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は高準位電圧源に接続され、
そのうち、該第３スイッチと該第１スイッチが電流経路スイッチに接続されて該第３スイッチ、該電流経路スイッチ及び該第１スイッチが電流経路を形成し、該第４スイッチと該第２スイッチは直接接続され、第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチが駆動されて、高準位電圧信号を出力し、並びに電流ミラー電流を生成し、該電流ミラー電流により該電流経路スイッチを制御し、該電流経路の電流を切断することを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、出力ステージ回路を更に具え、該出力ステージ回路は第５スイッチと第６スイッチを具え、該第５スイッチと第６スイッチにより電流ミラー回路及び入力ステージ回路に接続されたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流経路スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項５の発明は、入力ステージ回路、電流ミラー回路を具えて入力信号の電圧準位を異なる電圧準位に変換する高出力電圧シフト装置であり、
該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は第１電圧ノードに接続され、該第１電圧ノードの入力する電圧信号により第１スイッチ或いは第２スイッチを制御し、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通せず、
上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は第２電圧ノードに接続され、該電流ミラー回路は該入力ステージ回路と接続され、且つ該電流ミラー回路と入力ステージ回路の間に電流スイッチが設けられ、該第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチの導通或いは切断が制御されて、高準位電圧信号を出力し、
該第３スイッチと第４スイッチが導通する時に直流電流と電流ミラー電流を発生し、該電流ミラー電流により該電流スイッチを制御して該直流電流を切断することを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項６の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、前記直流電流は電流ミラー回路より入力ステージ回路に向けて流れることを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項７の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、前記第１スイッチ、第３スイッチ及び該電流スイッチが電流経路を形成し、前記直流電流は該電流経路において発生することを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項８の発明は、請求項７記載の高出力電圧シフト装置において、電流ミラー電流発生時に電流スイッチが切断されて直流電流を発生させないことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項９の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１電圧ノードが低準位電圧信号を入力することを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１０の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第２電圧ノードが高準位電圧信号を入力することを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１１の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、出力ステージ回路を具え、該出力ステージ回路が第５スイッチ及び第６スイッチを具え、該第５スイッチ及び第６スイッチにより電流ミラー回路及び入力ステージ回路にそれぞれ接続されたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１２の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１３の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１４の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。
請求項１５の発明は、請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置としている。

本発明複数のＭＯＳを利用して入力ステージ回路、電流ミラー回路、及び電流経路のＭＯＳスイッチを組成し、そのうち、入力ステージ回路は低電圧入力制御信号を受け取り、電流ミラー回路は高準位電圧と接続され、入力ステージ回路が低電圧入力制御信号に依りＭＯＳスイッチの導通或いは切断を制御し、これにより電流ミラー回路に電流ミラー電流を生成させるか否かを制御し、並びに電流経路のＭＯＳスイッチ素子を利用して電流ミラー回路と入力ステージ回路の間の直流電力消耗を切断し、高出力電圧シフト装置に静態時に直流電力消耗の状況を発生させず、並びに回路面積を小さくできる。

本発明の高準位電圧ノードは、図３の回路表示図に示されるように、ｐ型ＭＯＳ３１、３２、３３、３６、ｎ型ＭＯＳ３４、３５、３７、及びインバータ３９３等の主要な回路素子で構成されている。そのうち、ｐ型ＭＯＳ３１、３２は電流ミラー回路３８を構成している。

上述のｐ型ＭＯＳ３１、３２、３６のソースは高準位電圧ノード（ＨＶＤＤ）に接続され、高準位電圧ノード（ＨＶＤＤ）を通して高準位電圧源（例えば４０ボルト）に接続されている。ｎ型ＭＯＳ３４、３５、３７のソースは低準位電圧ノード（ＶＳＳ）に接続され、それは接地電圧源とされる。

ｎ型ＭＯＳ３７のドレインはｐ型ＭＯＳ３６のドレインと接続され、且つ出力端３９２がｎ型ＭＯＳ３７とｐ型ＭＯＳ３６のドレインに接続されている。ｎ型ＭＯＳ３４とｐ型ＭＯＳ３１の間にｐ型ＭＯＳ３３があり、ｐ型ＭＯＳ３３のソースとｐ型ＭＯＳ３１のドレインがノードＡ１に接続され、且つｐ型ＭＯＳ３３のソースはｐ型ＭＯＳ３２のゲートに接続されるほか、ノードＡ１に接続されている。ｐ型ＭＯＳ３３のドレイン、ｎ型ＭＯＳ３４のドレイン及びｐ型ＭＯＳ３６のゲートはノードＡ３に接続されている。ｎ型ＭＯＳ３５のドレインとｐ型ＭＯＳ３２のドレイン及びｐ型ＭＯＳ３３のゲートはノードＡ２に接続されている。ｎ型ＭＯＳ３４のゲートは制御信号入力端３９１に接続されて、低電圧制御入力信号（例えば２ボルト）を受け取る。制御信号入力端３９１にさらにインバータ３９３が接続され、電圧制御入力信号が逆相に変換され、インバータの出力端３９３１が逆相の低電圧制御入力信号をｎ型ＭＯＳ３５、３７のゲートに提供する。

以上の回路構造により、低電圧制御入力信号が低電圧である時（例えば０ボルト）、ｎ型ＭＯＳ３４が切断状態（ＯＦＦ）となり、ｎ型ＭＯＳ３５、３７が導通状態（ＯＮ）となる。ｐ型ＭＯＳ３１、３３及びｎ型ＭＯＳ３４は同一電流経路上にあるため、ｎ型ＭＯＳ３４は切断状態となり、ｐ型ＭＯＳ３１、３３も切断状態となり、ｐ型ＭＯＳ３１が切断状態となるため、ノードＡ１の電圧は約３８ボルト（ＨＶＤＤ−Ｖ_T ）となる。ｐ型ＭＯＳ３２とｐ型ＭＯＳ３２は電流ミラー回路３８を形成し、これによりｐ型ＭＯＳ３１が切断される時、ｐ型ＭＯＳ３２も切断されて電流ミラー電流がなくなる。

ｎ型ＭＯＳ３５が導通状態となるため、ノードＡ２の電圧は０ボルトに接近し、ｐ型ＭＯＳ３３のｐ型チャネルがオンとなるが、このときｐ型ＭＯＳ３３に電流がながれないため、このときただノードＡ３の電圧とノードＡ１の電圧が同じであればｐ型ＭＯＳ３３に電流が流れないようにでき、ゆえにノードＡ３の電圧は約３８ボルトとなり、ｐ型ＭＯＳ３６を切断して、出力端３９２に低準位電圧（例えば０ボルト）を出力させることができる。

低電圧制御入力信号が高電位（例えば２ボルト）の時、ｎ型ＭＯＳ３４は導通状態となり、ｎ型ＭＯＳ３５、３７は切断状態となる。ｎ型ＭＯＳ３４が導通状態となることにより直流電流経路が形成され、即ち直流電流がｐ型ＭＯＳ３１、３２及びｎ型ＭＯＳ３４を流れる。ｐ型ＭＯＳ３２は電流ミラー電流を生成し、切断されたｎ型ＭＯＳ３５のドレインに対して充電を行ない、ノードＡ２の電圧を０ボルトより上昇させ、ｐ型ＭＯＳ３３を切断する。ｐ型ＭＯＳ３３が切断される時、ｎ型ＭＯＳ３４は導通し、これによりノードＡ３の電圧が低電圧となり、ｐ型ＭＯＳ３６が導通し、出力端３９２が高準位電圧（例えば４０ボルト）を出力する。

図４は本発明の別の実施例の電気回路図であり、それはｐ型ＭＯＳ４１、４２、４３、ｎ型ＭＯＳ４４、４５及びインバータ４６を主要な素子として構成される。そのうち、ｐ型ＭＯＳ４１、４２は電流ミラー回路４７を構成する。図４の回路は図３の回路と類似しているが、図４の回路は直接出力端４８２がｐ型ＭＯＳ４３とｎ型ＭＯＳ４４のドレインの間に設置され、即ち、図３の出力端３９２はｐ型ＭＯＳ３６とｎ型ＭＯＳ３７で構成された出力ステージより引き出されるが、図４の出力端には出力ステージ回路がない。

図５は本発明のさらに別の実施例の電気回路図である。それは、ｐ型ＭＯＳ５１、５２、５３、ｎ型ＭＯＳ５４、５５、５６、５７及びインバータ５８を主要な素子として構成される。図５は図４に示される回路動作と類似しているが、図４では入力される低電圧制御信号が正の高電圧（例えば４０ボルト）に変換されるのに対して、図５では入力される低電圧制御信号が負の高電圧（例えば−４０ボルト）に変換される。これにより図５中のｐ型ＭＯＳ５２、５３は入力信号制御を受けるスイッチ素子とされ、ｎ型ＭＯＳ５４はｎ型ＭＯＳ５６、５７で構成された電流ミラー回路の制御スイッチとされる。

図６は本発明のさらに別の実施例の回路図である。それはｐ型ＭＯＳ６１、６２、ｎ型ＭＯＳ６３、６４、６５及びインバータ６６を主要な素子として構成される。図６の回路図は図４に示される回路と類似しているが、図６では出力する高電圧が図４の出力する高電圧と逆相とされ、これによりこれらＭＯＳ及び作業電圧等の関係の接続がそれに対応するよう交換されている。

図７は本発明の直流電力消耗表示図である。それは本発明の高出力電圧シフト装置がただ転態の瞬間だけに直流電力消耗の状況を発生し得て、静態時には直流電力消耗の状況を発生しないことを示す。これにより周知の電流ミラーを高出力電圧シフト装置とすると厳重な直流電力消耗の状況が発生する問題を改善するだけでなく、少ない高圧工程素子（７個、出力ステージを含む）を使用することで全体回路の面積を小さくすることができる。

周知の高出力電圧シフト装置の表示図である。周知の別の高出力電圧シフト装置の表示図である。本発明の好ましい実施例の回路図である。本発明の別の実施例の回路図である。本発明のさらに別の実施例の回路図である。本発明のさらにまた別の実施例の回路図である。本発明の直流電力消耗表示図である。

符号の説明

１１、１２、３１、３２、３３、３６、４１、４２、４３、５１、５２、５３、６１、６２ｐ型ＭＯＳ
１３、１４、３４、３５、３７、４４、４５、５４、５５、５６、５７、６３、６４、６５ｎ型ＭＯＳ
１５、３９３、４６、５８、６６インバータ
１６１、３９１、４８１入力端
１６２、３９２、４８２出力端
３８、４７電流ミラー回路
３９３１出力端
ＨＶＤＤ高準位電圧ノード
ＶＳＳＮ負の高電圧ノード
ＮＤ１、Ａ１、Ａ２、Ａ３ノード

Claims

入力ステージ回路、電流ミラー回路を具えて入力信号の電圧準位を異なる電圧準位に変換する高出力電圧シフト装置であり、
該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は低電圧信号を受け取り、該低電圧信号により第１スイッチ或いは第２スイッチを導通させ、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通せず、
上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は高準位電圧源に接続され、
そのうち、該第３スイッチと該第１スイッチが電流経路スイッチに接続されて該第３スイッチ、該電流経路スイッチ及び該第１スイッチが電流経路を形成し、該第４スイッチと該第２スイッチは直接接続され、第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチが駆動されて、高準位電圧信号を出力し、並びに電流ミラー電流を生成し、該電流ミラー電流により該電流経路スイッチを制御し、該電流経路の電流を切断することを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、出力ステージ回路を更に具え、該出力ステージ回路は第５スイッチと第６スイッチを具え、該第５スイッチと第６スイッチにより電流ミラー回路及び入力ステージ回路に接続されたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項１記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流経路スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
入力ステージ回路、電流ミラー回路を具えて入力信号の電圧準位を異なる電圧準位に変換する高出力電圧シフト装置であり、
該入力ステージ回路は第１スイッチと第２スイッチを具え、且つ該入力ステージ回路は第１電圧ノードに接続され、該第１電圧ノードの入力する電圧信号により第１スイッチ或いは第２スイッチを制御し、該第１スイッチと第２スイッチは同時には導通せず、
上記電流ミラー回路は第３スイッチと第４スイッチを具え、且つ該電流ミラー回路は第２電圧ノードに接続され、該電流ミラー回路は該入力ステージ回路と接続され、且つ該電流ミラー回路と入力ステージ回路の間に電流スイッチが設けられ、該第１スイッチ或いは第２スイッチの導通により該電流ミラー回路の第３スイッチと第４スイッチの導通或いは切断が制御されて、高準位電圧信号を出力し、
該第３スイッチと第４スイッチが導通する時に直流電流と電流ミラー電流を発生し、該電流ミラー電流により該電流スイッチを制御して該直流電流を切断することを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、前記直流電流は電流ミラー回路より入力ステージ回路に向けて流れることを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、前記第１スイッチ、第３スイッチ及び該電流スイッチが電流経路を形成し、前記直流電流は該電流経路において発生することを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項７記載の高出力電圧シフト装置において、電流ミラー電流発生時に電流スイッチが切断されて直流電流を発生させないことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１電圧ノードが低準位電圧信号を入力することを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第２電圧ノードが高準位電圧信号を入力することを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、出力ステージ回路を具え、該出力ステージ回路が第５スイッチ及び第６スイッチを具え、該第５スイッチ及び第６スイッチにより電流ミラー回路及び入力ステージ回路にそれぞれ接続されたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第１スイッチと第２スイッチがｐ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。
請求項５記載の高出力電圧シフト装置において、第３スイッチと第４スイッチ及び電流スイッチがｎ型ＭＯＳとされたことを特徴とする、高出力電圧シフト装置。