靴带式开关的制作方法

1.本案是关于靴带式开关(bootstrapped switch)，尤其是关于快速导通与快速关闭的靴带式开关。


背景技术：

2.图1为公知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型金氧半场效电晶体(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)(以下简称nmos电晶体)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电晶体106的源极(source)与漏极(drain)。nmos电晶体106的栅极(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电晶体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电晶体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电晶体106的栅极愈快到达目标电压)，nmos电晶体106的状态愈能够与系统时脉一致，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.本发明的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：一第一电晶体、一第一电容、一第二电晶体、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。第一电晶体具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，该第一电晶体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。第二电晶体具有一第五端、一第六端及一第二控制端，其中，该第二电晶体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电晶体的该第一控制端。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电晶体的该第一控制端之间。第四开关具有一第三控制端且耦接于该第一参考电压。第五开关耦接于该第一电晶体的该第一控制端与该第四开关之间。反相器电路具有一输入端及一输出端，其中，该输入端耦接该第四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
八端耦接该第一控制端。
6.本发明之另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：一第一电晶体、一第一电容、一第二电晶体、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、一第六开关、一第七开关、一第八开关、一第九开关以及一第二电容。第一电晶体具有一第一端、一第二端及一第一控制端，其中，该第一电晶体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；第二电晶体具有一第五端、一第六端及一第二控制端，其中，该第二电晶体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电晶体的该第一控制端；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电晶体的该第一控制端之间；第四开关具有一第三控制端且耦接于该第一参考电压；第五开关耦接于该第一电晶体的该第一控制端与该第四开关之间；第二电容具有一第七端及一第八端，其中，该第七端通过该第六开关耦接该第一参考电压以及通过该第七开关耦接该第一控制端，且该第八端通过该第八开关接收该输入电压以及通过该第九开关耦接该第一参考电压。该第六开关及该第七开关不同时导通，以及该第八开关及该第九开关不同时导通。
7.本发明的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。
8.有关本发明的特征、实作与功效，兹配合附图作实施例详细说明如下。
附图说明
9.图1为公知的靴带式开关的电路图；
10.图2为本发明靴带式开关的一实施例的电路图；
11.图3显示时脉φ1及时脉φ1b的一个示例；
12.图4为本发明靴带式开关的另一实施例的电路图；以及
13.图5为本发明靴带式开关的另一实施例的电路图。
具体实施方式
14.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。
15.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。
16.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可以分别以电晶体m1、电晶体m7、电晶体m2、电晶体m3、电晶体m8、电晶体m4及电晶体m11实现。每个电晶体具有一第一端、一第二端以及一控制端；第一端及第二端是该电晶体所形
成的开关的两端。对金氧半场效电晶体(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)而言，第一端可以是源极及漏极的其中一者，第二端是源极及漏极的另一者，而控制端是栅极。对双极性接面型电晶体(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)。
17.如图2所示，电晶体m1的控制端与电晶体m7的控制端互相电连接。电晶体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。电晶体m7的第一端接收输入电压vin，而电晶体m7的第二端电连接抬举电容cb的第一端。电晶体m2的第一端耦接抬举电容cb的第一端，且电晶体m2的第二端耦接第一参考电压(在图2的示例中为接地准位gnd)。电晶体m3的第一端耦接第二参考电压(在图2的示例中为电源电压vdd，电源电压vdd高于接地准位gnd)，且电晶体m3的第二端耦接抬举电容cb的第二端。电晶体m8的第一端耦接电晶体m1的控制端，且电晶体m8的第二端耦接抬举电容cb的第二端。电晶体m4的第一端耦接或电连接电晶体m1的控制端及电晶体m7的控制端，且电晶体m4的控制端耦接或电连接电源电压vdd。电晶体m11的第一端耦接电晶体m4的第二端，电晶体m11的第二端耦接或电连接第一参考电压(接地准位gnd)。电晶体m11的控制端接收时脉φ1b。电容cq的第一端耦接或电连接电晶体m1的控制端。反相器电路180的输入端接收时脉φ1b，反相器电路180的输出端耦接或电连接电容cq的第二端。
18.开关130、开关140、开关150及开关170根据时脉φ1及时脉φ1b而呈现导通(对应的电晶体开启)或不导通(对应的电晶体关闭)。图3显示时脉φ1及时脉φ1b的一个示例，时脉φ1及时脉φ1b互为反相信号。受时脉φ1及时脉φ1b的控制，靴带式开关100交替操作于第一时脉相位ph1(时脉φ1为第一准位(例如低准位)且时脉φ1b为第二准位(例如高准位)的期间)及第二时脉相位ph2(时脉φ1为第二准位且时脉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。
19.参考图2及图3。在第一时脉相位ph1期间(当时脉φ1为低准位且时脉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，电晶体m1的控制端及电晶体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在第一时脉相位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在第一时脉相位ph1期间充电，且第一时脉相位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。
20.在第二时脉相位ph2期间(当时脉φ1为高准位且时脉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，电晶体m1及电晶体m7的控制端实质上与抬举电容cb的第二端等电位，使得电晶体m1及电晶体m7因为抬举电容cb上的跨压vcb而开启。当电晶体m7开启时，抬举电容cb的第二端及电晶体m1的控制端的电压实质上等于输入电压vin与跨压vcb之和。当电晶体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。
21.电晶体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)。电晶体m4的目的之一是用来阻隔电晶体m1的控制端与电晶体m11，以防止电晶体m11
的第一端承受此高电压。因为电晶体m4的控制端耦接或电连接电源电压vdd，所以电晶体m4可以承受此高电压。然而，电晶体m4会使得电晶体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无法在进入第一时脉相位ph1后立即由导通状态变成不导通状态；换言之，电晶体m4可能会造成靴带式开关100的切换速度变慢。
22.电容cq及反相器电路180的目的之一在于快速拉高或拉低电晶体m1之控制端的电压，以提高电晶体m1的控制端的电压转换速度(即，加快靴带式开关100的切换速度)。
23.当时脉φ1b由第一准位转换至第二准位时(电晶体m11开始导通但尚未完全导通)，反相器电路180输出与时脉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耦合至电晶体m1的控制端，使得电晶体m1的控制端的电压可以在电晶体m11及电晶体m4完全导通前便开始下降。换言之，反相器电路180及电容cq能帮助电晶体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)。
24.当时脉φ1b由第二准位转换至第一准位时(电晶体m11开始关闭但尚未完全关闭)，反相器电路180输出与时脉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耦合至电晶体m1的控制端，使得电晶体m1的控制端的电压可以在电晶体m11及电晶体m4完全关闭前便开始上升。换言之，反相器电路180及电容cq能帮助电晶体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)。
25.综上所述，反相器电路180及电容cq有助于电晶体m1的控制端的电压提早上升或下降，使得靴带式开关有更快的反应速度(即，可以操作在更高速)。
26.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的电容值可以约为抬举电容cb的电容值的十分之一至十分之二。
27.图4为本发明靴带式开关的另一实施例的电路图。靴带式开关200与靴带式开关100相似，差别在于图2之开关电路sw1由图4之开关电路sw2取代。类似地，开关电路sw2对应图1的开关105。靴带式开关的特征之一是，当靴带式开关导通时，电晶体m1的控制端上的电压为输入电压vin加上一个直流电压(例如电源电压vdd)。然而此输入电压vin的成份会阻碍电晶体m1快速关闭。
28.开关电路sw2包含电容cq、开关201、开关202、开关203及开关204。电容cq的第一端通过开关201耦接接地准位gnd，电容cq的第一端通过开关202耦接或电连接电晶体m1的控制端，电容cq的第二端通过开关204耦接接地准位gnd，以及电容cq的第二端通过开关203接收输入电压vin(等效于通过开关203耦接或电连接输入端in)。
29.当时脉φ1为高准位时，开关201及开关203导通且开关202及开关204不导通，以充电电容cq。充电结束(即，时脉φ1变为低准位)后，电容cq的跨压理想上等于输入电压vin。
30.当时脉φ1为低准位时，开关201及开关203不导通且开关202及开关204导通，因此，电容cq上的跨压会被反向地施加到电晶体m1的控制端(即，等效于在电晶体m1的控制端加上-vin)，以抵消电晶体m1的控制端上的输入电压vin，这有助于电晶体m1的控制端的电压更快下降(即，有助于电晶体m1快速关闭，等效于加快靴带式开关100的关闭速度)。
31.图5为本发明靴带式开关的另一实施例的电路图。靴带式开关500包含开关电路swx、开关185、开关190及开关195。开关185、开关190及开关195分别由电晶体m9、电晶体m5及电晶体m6实作。开关185耦接于第二参考电压与电晶体m8的控制端之间，且受到时脉φ1
控制。开关190耦接于抬举电容cb的第一端与电晶体m8的控制端之间，且受到时脉φ1控制。开关195耦接于抬举电容cb的第一端与电晶体m8的控制端之间，且电晶体m6的控制端电连接电晶体m1的控制端及电晶体m7的控制端。电晶体m5、电晶体m6及电晶体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。本技术领域具有通常知识者可以根据以上的说明以图2及图4的开关电路sw1或开关电路sw2取代图5的开关电路swx。
32.在其他的实施例中，前述实施例中的pmos电晶体及nmos电晶体可以分别以nmos电晶体及pmos电晶体取代，本技术领域具有通常知识者知道如何顺应地调整时脉φ1及时脉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，来实现上面公开的的实施内容。
33.请注意，前面公开的附图中，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。
34.虽然本发明的实施例如上所述，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的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。
35.【符号说明】
36.10、100、200、500：靴带式开关
37.101、102、103、104、105、110、120、130、140、150、160、170、201、202、203、204、185、190、195：开关
38.106：n型金氧半场效电晶体
39.m1、m7、m2、m3、m8、m4、m11、m9、m5、m6：电晶体
40.107、cb：抬举电容
41.v1、v2、v3：电压源
42.vi、in：输入端
43.vin：输入电压
44.vo、out：输出端
45.vout：输出电压
46.cq：电容
47.180：反相器电路
48.sw1、sw2、swx：开关电路
49.gnd：接地准位
50.vdd：电源电压
51.φ1、φ1b：时脉
52.ph1：第一时脉相位
53.ph2：第二时脉相位
54.vcb：跨压。