靴带式开关的制作方法

1.本技术涉及靴带式开关(bootstrapped switch)，尤其涉及快速导通与快速关闭的靴带式开关。


背景技术：

2.图1为现有的靴带式开关的电路图。靴带式开关10包含开关101、开关102、开关103、开关104、开关105、n型金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)(以下简称nmos晶体管)106以及抬举电容(bootstrap capacitor)107。靴带式开关10的输入端vi及输出端vo分别耦接nmos晶体管106的源极(source)与汲极(drain)。nmos晶体管106的闸极(gate)一方面通过开关105耦接至电压源v3，另一方面通过开关104耦接至抬举电容107的其中一端及开关101的其中一端。开关101的另一端耦接电压源v1。抬举电容107的另一端通过开关102耦接至电压源v2，以及通过开关103耦接至nmos晶体管106的源极与靴带式开关10的输入端vi。电压源v1为高电压准位vdd，而电压源v2及电压源v3则为接地准位。靴带式开关10的操作为本技术领域具有通常知识者所熟知，故不再赘述。
3.开关105的状态(导通或不导通)决定nmos晶体管106的状态(导通或不导通)。换言之，开关105的反应时间愈短(即，使nmos晶体管106的闸极愈快到达目标电压)，nmos晶体管106的状态愈能够与系统时钟一致，使得靴带式开关10的表现更佳(例如，速度更快、取样的结果更准确)。换言之，开关105的设计在靴带式开关10扮演重要的角色。


技术实现要素：

4.鉴于先前技术之不足，本发明之一目的在于提供一种靴带式开关以改善先前技术的不足。
5.本发明之一实施例提供一种靴带式开关，用来接收一输入电压并且输出一输出电压，包含：一第一晶体管、一第一电容、一第二晶体管、一第一开关、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第五开关、一反相器电路以及一第二电容。第一晶体管具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，该第一晶体管由该第一端接收该输入电压，且由该第二端输出该输出电压。第一电容具有一第三端及一第四端；第二晶体管具有一第五端、一第六端及一第二控制端，其中，该第二晶体管由该第五端接收该输入电压，该第六端电连接该第一电容的该第三端，且该第二控制端电连接该第一晶体管的该第一控制端。第一开关耦接于该第一电容的该第三端与一第一参考电压之间。第二开关耦接于该第一电容的该第四端与一第二参考电压之间。第三开关耦接于该第一电容的该第四端与该第一晶体管的该第一控制端之间。第四开关耦接于该第一晶体管的该第一控制端与一节点之间。第五开关具有一第三控制端且耦接于该节点与该第一参考电压之间。反相器电路具有一输入端及一输出端，其中，该输入端耦接该第五开关之该第三控制端，且该反相器电路用来反相该第三控制端之一电压。第二电容具有一第七端及一第八端，其中，该第七端耦接该反相器电路之该输出
端，且该第八端耦接该节点。
6.本发明之靴带式开关能够快速导通及/或快速关闭。相较于传统技术，本发明之靴带式开关能够操作在更高速。
7.有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作实施例详细说明如下。
附图说明
8.图1为现有的靴带式开关的电路图；
9.图2为本发明靴带式开关之一实施例的电路图；
10.图3显示时钟φ1及时钟φ1b的一个例子；
11.图4是节点nq的电压及晶体管m1之控制端的电压的电脑模拟波形图；以及
12.图5为本发明靴带式开关之另一实施例的电路图。
具体实施方式
13.以下说明内容之技术用语系参照本技术领域之习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语之解释系以本说明书之说明或定义为准。
14.本发明之公开内容包含靴带式开关。由于本发明之靴带式开关所包含之部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明之充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以节略。
15.图2为本发明靴带式开关之一实施例的电路图。靴带式开关100从输入端in接收输入电压vin，并且从输出端out输出输出电压vout。靴带式开关100包含开关110、开关120、开关130、开关140、开关150、开关160、开关170、抬举电容cb、电容cq以及反相器电路180。开关电路sw1对应图1的开关105。开关110、开关120、开关130、开关140、开关150、开关160及开关170可以分别以晶体管m1、晶体管m7、晶体管m2、晶体管m3、晶体管m8、晶体管m4及晶体管m11实作。每个晶体管具有一第一端、一第二端以及一控制端，第一端及第二端是该晶体管所形成之开关的两端。对金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)而言，第一端可以是源极及汲极的其中一者，第二端是源极及汲极的另一者，而控制端是闸极。对双极性接面型晶体管(bipolar junction transistor,bjt)而言，第一端可以是集极(collector)及射极(emitter)的其中一者，第二端是集极及射极另一者，而控制端是基极(base)。
16.如图2所示，晶体管m1的控制端与晶体管m7的控制端互相电连接。晶体管m1以第一端接收输入电压vin，并且从第二端输出输出电压vout。晶体管m7的第一端接收输入电压vin，而晶体管m7的第二端电连接抬举电容cb的第一端。晶体管m2的第一端耦接抬举电容cb的第一端，且晶体管m2的第二端耦接第一参考电压(在图2的例子中为接地准位gnd)。晶体管m3的第一端耦接第二参考电压(在图2的例子中为电源电压vdd，电源电压vdd高于接地准位gnd)，且晶体管m3的第二端耦接抬举电容cb的第二端。晶体管m8的第一端耦接晶体管m1的控制端，且晶体管m8的第二端耦接抬举电容cb的第二端。晶体管m4的第一端耦接或电连接晶体管m1的控制端及晶体管m7的控制端，晶体管m4的控制端耦接或电连接电源电压vdd，且晶体管m4的第二端耦接或电连接节点nq。晶体管m11的第一端耦接或电连接节点nq，而晶体管m11的第二端耦接或电连接第一参考电压(接地准位gnd)。晶体管m11的控制端接收时
钟φ1b。电容cq的第一端耦接或电连接节点nq。反相器电路180的输入端接收时钟φ1b，反相器电路180的输出端耦接或电连接电容cq的第二端。
17.开关130、开关140、开关150及开关170根据时钟φ1及时钟φ1b而呈现导通(对应的晶体管开启)或不导通(对应的晶体管关闭)。图3显示时钟φ1及时钟φ1b的一个例子，时钟φ1及时钟φ1b互为反相信号。受时钟φ1及时钟φ1b的控制，靴带式开关100交替操作于第一时钟相位ph1(时钟φ1为第一准位(例如低准位)且时钟φ1b为第二准位(例如高准位)的期间)及第二时钟相位ph2(时钟φ1为第二准位且时钟φ1b为第一准位的期间)。以下将详细说靴带式开关100的操作细节。
18.参考图2及图3。在第一时钟相位ph1期间(当时钟φ1为低准位且时钟φ1b为高准位时)，开关130、开关140、开关160及开关170导通，且开关150不导通。当开关160及开关170导通时，晶体管m1的控制端及晶体管m7的控制端上的电压实质上等于第一参考电压(接地准位gnd)，使得开关110及开关120不导通；换言之，开关110及开关120在第一时钟相位ph1期间不导通。当开关130及开关140导通时，抬举电容cb两端的电压实质上分别为第一参考电压(接地准位gnd)及第二参考电压(电源电压vdd)；换言之，抬举电容cb在第一时钟相位ph1期间充电，且第一时钟相位ph1结束后抬举电容cb上的跨压vcb实质上等于第一参考电压及第二参考电压的电压差。
19.在第二时钟相位ph2期间(当时钟φ1为高准位且时钟φ1b为低准位时)，开关130、开关140、开关160及开关170不导通，且开关150导通。当开关150导通时，晶体管m1及晶体管m7的控制端实质上与抬举电容cb的第二端等电位，使得晶体管m1及晶体管m7因为抬举电容cb上的跨压vcb而开启。当晶体管m7开启时，抬举电容cb的第二端及晶体管m1的控制端的电压实质上等于输入电压vin与跨压vcb之和。当晶体管m1开启时，输出电压vout实质上等于输入电压vin，亦即靴带式开关100导通。
20.晶体管m1的控制端的电压有可能大于电源电压vdd(甚至接近2倍的电源电压vdd)，而晶体管m11可能处于控制端(闸极)与第二端(源极)皆接至接地准位gnd的状态。在一些相关技术中，若将晶体管m11的第一端(汲极)直接电连接至晶体管m1，此时晶体管m1的控制端上的高电压(承前所述，可高至接近2倍的电源电压vdd)会使晶体管m11的寿命大幅降低。为了改善上揭问题，本发明的晶体管m4的目的之一是用来阻隔晶体管m1的控制端与晶体管m11，以防止晶体管m11的第一端承受此高电压。因为晶体管m4的控制端耦接或电连接电源电压vdd，使晶体管m4的第一端、第二端、控制端之间的电压皆小于电源电压vdd，所以晶体管m4可以承受此高电压。然而，晶体管m4会使得晶体管m1的控制端从第二准位(例如高准位)转换到第一准位(例如低准位)的速度变慢，造成靴带式开关100无法在进入第一时钟相位ph1后立即由导通状态变成不导通状态；换言之，晶体管m4可能会造成靴带式开关100的切换速度变慢。
21.电容cq及反相器电路180的目的之一在于快速拉高或拉低节点nq的电压，进而加快晶体管m4的切换速度(即，提高晶体管m1的控制端的电压转换速度，等效于加快靴带式开关100的切换速度)。
22.当时钟φ1b由第一准位转换至第二准位时(晶体管m11开始导通但尚未完全导通)，反相器电路180输出与时钟φ1b反相的输出信号(即第一准位的信号)，然后该输出信号经由电容cq耦合至节点nq，使得节点nq的电压可以在晶体管m11完全导通前便开始下降。
节点nq上的电压一旦开始下降，将使晶体管m4的第一端及第二端间的跨压增加，令晶体管m4的导通能力上升。换言之，反相器电路180及电容cq能大幅地帮助晶体管m4提早导通，因此可以使晶体管m1的控制端的电压更快下降(即，加快靴带式开关100的关闭速度)。
23.当时钟φ1b由第二准位转换至第一准位时(晶体管m11开始关闭但尚未完全关闭)，反相器电路180输出与时钟φ1b反相的输出信号(即第二准位的信号)，然后该输出信号经由电容cq耦合至节点nq，使得节点nq的电压可以在晶体管m11完全关闭前便开始上升。节点nq上的电压一开始上升，会通过晶体管m4拉升晶体管m1控制端的电压。换言之，反相器电路180及电容cq能使晶体管m1的控制端的电压更快上升(即，加快靴带式开关100的导通速度)。
24.图4是节点nq的电压及晶体管m1之控制端的电压的电脑模拟波形图。曲线g2及曲线b2代表节点nq的电压，曲线g3及曲线b3代表晶体管m1的控制端的电压。曲线g2及曲线g3对应到有包含反相器电路180及电容cq之靴带式开关(例如图2之靴带式开关100)，而曲线b2及曲线b3对应到没有包含反相器电路180及电容cq之靴带式开关(例如图2之电路但移除反相器电路180及电容cq)。由图4可见，当时钟φ1b由第一准位转换到第二准位(例如时间点t1)时，曲线g3比曲线b3下降得更快(曲线g3斜率大于曲线b3斜率)，也就是晶体管m1的控制端的电压提早约t3-t2的时间到达第一准位。当时钟φ1b由第二准位转换到第一准位(例如时间点t4)时，曲线g3比曲线b3更早开始上升，也就是靴带式开关100更快速启动。节点nq上的电压也有类似的趋势，故不再赘述。
25.在一些实施例中，反相器电路180包含奇数个反相器，而电容cq的电容值可以约为数十至数百飞法拉(ff)，优选为10飞法拉至100飞法拉之间，而电容cq的电容值也是一种权衡(trade-off)，因为若电容cq的电容值过大，会提高反相器电路180的尺寸，导致所加入的反相器电路180与电容cq的操作速度慢于晶体管m11。
26.图5为本发明靴带式开关之另一实施例的电路图。靴带式开关500与靴带式开关100相似，差别在于靴带式开关500更包含开关185、开关190及开关195。开关185、开关190及开关195分别由晶体管m9、晶体管m5及晶体管m6实作。开关185耦接于第二参考电压与晶体管m8的控制端之间，且受到时钟φ1控制。开关190耦接于抬举电容cb的第一端与晶体管m8的控制端之间，且受到时钟φ1控制。开关195耦接于抬举电容cb的第一端与晶体管m8的控制端之间，且晶体管m6的控制端电连接晶体管m1的控制端及晶体管m7的控制端。晶体管m5、晶体管m6及晶体管m9用来提供靴带式开关500操作过程中的过电压保护，用以延长元件之使用寿命，其动作原理为本技术领域具有通常知识者所熟知，故不再赘述。
27.综上所述，反相器电路180及电容cq有助于节点nq上的电压及晶体管m1的控制端的电压提早上升或下降，及/或快速地上升或下降，使得靴带式开关有更快的反应速度(即，可以操作在更高速)。
28.在其他的实施例中，前述实施例中的pmos晶体管及nmos晶体管可以分别以nmos晶体管及pmos晶体管取代，本技术领域具有通常知识者知道如何顺应地调整时钟φ1及时钟φ1b的相位或准位，以及顺应地调整第一参考电压及第二参考电压，来实现上揭的实施内容。
29.请注意，前揭图示中，元件之形状、尺寸及比例仅为示意，系供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。
30.虽然本发明之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明之明示或隐含之内容对本发明之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求之专利保护范畴，换言之，本发明之专利保护范围须视本说明书之申请专利范围所界定者为准。
31.【符号说明】
32.10,100,500：靴带式开关
33.101,102,103,104,105,110,120,130,140,150,160,170,185,190,195：开关
34.106：n型金氧半场效晶体管
35.107,cb：抬举电容
36.vi,in：输入端
37.vo,out：输出端
38.v1,v2,v3：电压源
39.vin：输入电压
40.vout：输出电压
41.sw1：开关电路
42.cq：电容
43.180：反相器电路
44.m1,m7,m2,m3,m8,m4,m11,m9,m5,m6：晶体管gnd：接地准位
45.vdd：电源电压
46.nq：节点
47.φ1,φ1b：时钟
48.ph1：第一时钟相位
49.ph2：第二时钟相位
50.vcb：跨压
51.g2,b2,g3,b3：曲线
52.t1,t2,t3,t4：时间点。