线性电流/电压特性的金属氧化物半导体输出驱动电路

摘要

本发明公开了拥有线性电流/电压特性的输出驱动电路，例如当输出电压转换时输出阻抗为定值。此输出驱动电路包含第一及第二输入晶体管分别输入第一及第二输入信号，且各自具有输出节点与电路的输出节点耦合。第一对及第二对晶体管，分别依据第一及第三控制信号及输出信号，产生第二及第四控制信号。第一及第二输出晶体管分别接收第二及第四控制信号，且各自具有输出节点分别和电路的输出节点耦合。

说明书

                       技术领域

本发明涉及拥有线性电流/电压特性的金属氧化物半导体输出驱动电路。

                       背景技术

由于拥有反应速度快、低能量消耗及高集成度等优点，含有金属氧化物半导体(MOS)电路的半导体芯片用途广泛。例如金属氧化物半导体输出驱动电路常用于驱动到达所需的电压标准，以传递所要的逻辑值。

参考图1描述了一公知的金属氧化物半导体输出驱动电路。P形的金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)140的源极(source node)和参考电压Vss相连接。参考电压是依设计规格提供的相对稳定的电压源，如MOS组件一般常用的3或5伏特电压。当输入节点(input node)110及120的初始电压值低时，在输出节点130的初始电压值高。当输入节点120和输入节点140分别从前级驱动器(predriver，未图示)接收到高电压值的信号时，P形金属氧化物半导体场效应晶体管140的源极和门级都会被拉高，如此一来P形金属氧化物半导体场效应晶体管140会被关闭。同时N形金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)150也被拉高且N形金属氧化物半导体场效应晶体管150的源极是接地的，如此一来N形金属氧化物半导体场效应晶体管150被打开。在此一例子中，N形金属氧化物半导体场效应晶体管150的漏极和门极同时被拉高，所以N形金属氧化物半导体场效应晶体管150是在饱和区下操作。由于被N形金属氧化物半导体场效应晶体管150是打开的，输出节点130的电压值开始下降。当输出节点130的电压值降低，N形金属氧化物半导体场效应晶体管150最后会成为三极管(triode)区域。以上的操作称为输出信号的拉降转变(pull-down transition)。

相同地，当P形金属氧化物半导体场效应晶体管140打开且N形金属氧化物半导体场效应晶体管150关闭时，公知的金属氧化物半导体输出驱动电路也会经历拉降转变(pull-down transition)。

当N形金属氧化物半导体场效应晶体管150操作从饱和区域转为三极管区域，以输出节点130观点来看输出阻抗会下降。因此公知的金属氧化物半导体输出驱动电路当拉升或拉降转变发生时阻抗会变动。对公知的金属氧化物半导体输出驱动电路而言，当产生拉升或拉降转变时，提供固定的输出阻抗是难以达到的。

                          发明内容

本发明在输出驱动电路中引入补偿电路(compensation circuit)来克服阻抗变动问题。

本发明的主要目的为提供拥有良好信号性能的输出驱动电路。

本发明的另一目的为提供一种输出驱动电路拥有线性的电流/电压特性，即固定的输出阻抗。

本发明的再一目的为提供一输出驱动电路，拥有不变的输出阻抗，及可易于运用在现今标准的互补式金属氧化物半导体集成电路制程中。

本发明的输出驱动电路包含第一输入晶体管、第二输入晶体管、第一对晶体管、第二对晶体管、第一输出晶体管及第二输出晶体管。第一输入晶体管输入第一输入信号，且输出节点和输出驱动电路的输出节点耦合。第二输入晶体管输入第二输入信号，且输出节点和输出驱动电路的输出节点耦合。第一对晶体管，依据第一控制信号及输出信号，产生第二控制信号。第二对晶体管，依据第三控制信号及输出信号，产生第四控制信号。第一输出晶体管用于接收第二控制信号，且输出节点和输出驱动电路的输出节点耦合。第二输出晶体管用于接收该第四控制信号，且输出节点和输出驱动电路的输出节点耦合。

                        附图说明

图1为公知的金属氧化物半导体输出驱动电路示意图。

图2a到图2d分别为本发明的四种优选实施例。

图3a到图3d分别为本发明的另外四种优选实施例。

                    具体实施方式

以下所描述的电路是由场效应晶体管(FET)所组成。但是本发明所描述的电路并不局限于使用场效应晶体管，且不限于其它晶体管如双极结型晶体管(bipolar junction transistor)、或场效应晶体管和双极结型晶体管的组合、或其它任何种类的类似技术。此外，本发明可以不同的方式运用，如用于单一组件或集成电路。

请参考图2a，本发明的第一优选实施例包含第一输入晶体管210，最好为P型金属氧化物半导体场效应晶体管组件，第二输入晶体管215，最好为N型金属氧化物半导体场效应晶体管组件。第一对晶体管，包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管220、N型金属氧化物半导体场效应晶体管225，第二对晶体管，包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管230、N型金属氧化物半导体场效应晶体管235。第一输出晶体管240，最好为P型金属氧化物半导体场效应晶体管组件，第二输入晶体管245，最好为N型金属氧化物半导体场效应晶体管组件。输出驱动电路还包含反相器250和255。

假设输出节点270一开始被拉高，输入节点260和265分别从前级驱动器(predriver，未图示)接收高信号(high signal)。以下描述拉降的过程。P型金属氧化物半导体场效应晶体管210的源极和门极皆被拉升，且P型金属氧化物半导体场效应晶体管210为关闭状态。N型金属氧化物半导体场效应晶体管215的源极为接地而其门极被拉高，所以N型金属氧化物半导体场效应晶体管215是打开状态。反相器250输出低信号(low signal)。反相器250的输出节点、P型金属氧化物半导体场效应晶体管220的门极和N型金属氧化物半导体场效应晶体管225的门极耦合在一起。由于P型金属氧化物半导体场效应晶体管220的门极收到低信号，且其源极和参考电压相连接，P型金属氧化物半导体场效应晶体管220为开启状态。N型金属氧化物半导体场效应晶体管225正好相反，为关闭状态。因为其门极被拉降，且源极因和输出节点270耦合而被拉升。

当N型金属氧化物半导体场效应晶体管225被关闭时，没有电流流经节点280。所以节点280追随(trace)节点270的高电压值。此时，P型半导体场效应晶体管240是关闭的。由于反相器250、255输出低信号，而且晶体管220、225及230、235是对称的，因此很容可得到P型金属氧化物半导体场效应晶体管230开启且N型金属氧化物半导体场效应晶体管235关闭的结果。N型金属氧化物半导体场效应晶体管245的门极和节点290耦合。节点290追随节点270的高电压值，N型金属氧化物半导体场效应晶体管245被开启。

必须注意，以上的操作实质上是同时间完成。N型金属氧化物半导体场效应晶体管215和245都被开启而且在饱和区域操作。从输出节点270来看，N型金属氧化物半导体场效应晶体管215和245像两个并联的输出阻抗。因为N型金属氧化物半导体场效应晶体管215在饱和区域操作，其输出阻抗值高。由于节点290和节点270的电压值高，N型金属氧化物半导体场效应晶体管245是在二极管连接配置中(diode-connect configuration)，所以其输出阻抗值低。N型金属氧化物半导体场效应晶体管245提供如图2a所示的输出驱动电路的绝大部分输出阻抗。通过小心选择尺寸为B的N型金属氧化物半导体场效应晶体管215，和尺寸为D的N型金属氧化物半导体场效应晶体管245之间的尺寸比值，可以在转变时得到有高线性的输出(电流/电压)转换曲线。在此晶体管的尺寸定义为组件信道的(宽度/高度)比。如此驱动电路可达到输出固定阻抗的目的。

P型半导体场效应晶体管230和N型场效应晶体管245被开启，输出信号因感受到拉降过程而开始下降，N型金属氧化物半导体场效应晶体管215的漏极电压值下降。最终N型金属氧化物半导体场效应晶体管215进入三极体区域(triode region)，在三极体区域中的输出阻抗远较在饱和区域为低。同时，节点290的电压值开始减少，输出节点270也是。N型金属氧化物半导体场效应晶体管245的输出阻抗变越来越高，直到晶体管245关闭为止。

假设输出节点270刚开始被拉低，输入节点260和265分别从前级驱动器(未图示)收到低信号。以下叙述拉升过程。P型金属氧化物半导体场效应晶体管210的源极和门极都被拉低，晶体管210开启。N型金属氧化物半导体场效应晶体管215的源极为接地，而其门极被拉低，所以晶体管215为关闭。反相器250输出高信号。反相器250的输出节点、P型金属氧化物半导体场效应晶体管220的门极及N型金属氧化物半导体场效应晶体管225的门极耦合在一起。由于P型金属氧化物半导体场效应晶体管220的门极接收到高信号，且其源极和参考电压连接，P型金属氧化物半导体场效应晶体管220为关闭状态。N型金属氧化物半导体场效应晶体管225正好相反为开启状态，因为和输出节点270耦合状况下，其门极被拉高而源极被拉低。

当P型金属氧化物半导体场效应晶体管220处于关闭状态，没有电流流经节点280。所以节点280追踪节点270有低电压值。在此同时，P型金属氧化物半导体场效应晶体管240开启。由于反相器250、255输出高信号，以及晶体管对220、225及230、235为对称的，很容易可得出P型金属氧化物半导体场效应晶体管230为关闭状态，而N型金属氧化物半导体场效应晶体管235为开启状态的结果。N型金属氧化物半导体场效应晶体管245和节点290耦合。节点290追随到输出节点270的低电压值。N型金属氧化物半导体场效应晶体管245为关闭状态。

必须注意，以上所有操作实质上为同时完成。P型金属氧化物半导体场效应晶体管210及240皆处于开启状态且在饱合区域操作。从输出节点270来看，P型金属氧化物半导体场效应晶体管210及240像两个并联的输出阻抗。因为P型金属氧化物半导体场效应晶体管210在饱和区操作，其输出阻抗值高。由于节点280和输出节点270的电压值皆低，因此P型金属氧化物半导体场效应晶体管240是在三极体连接配置中。所以P型金属氧化物半导体场效应晶体管240的输出阻抗值相当低。P型金属氧化物半导体场效应晶体管240，对如图2a所示的输出驱动电路的输出阻抗贡献占绝大部分。通过小心选择尺寸为A的P型金属氧化物半导体场效应晶体管210，和尺寸为C的P型金属氧化物半导体场效应晶体管240之间的比值，可以得到在转换时有高线性的输出(电流/电压)转换线。在此晶体管的尺寸定义为组件信道的(宽度/长度)比。如此驱动电路可达到输出固定阻抗的目的。

N型金属氧化物半导体场效应晶体管225和P型金属氧化物半导体场效应晶体管240被开启，输出信号因感受到拉升过程而开始上升，P金属氧化物半导体场效应晶体管210的漏极电压值增加。最终P型金属氧化物半导体场效应晶体管210进入三极体区域(triode region)，在三极体区域中的输出阻抗远较在饱和区域为低。同时，节点280的电压值开始增加，节点270也是。P型金属氧化物半导体场效应晶体管240的输出阻抗越来越高，直到晶体管240关闭为止。

为达到本发明的目的，本发明有如图2b、2c和2d所述的实施例。

在图2b中，N型金属氧化物半导体场效应晶体管211经由反相器250接收输入节点260的信号。假设输出节点270初始有高信号，且输入节点260及265分别由前级驱动器接收高信号。N型金属氧化物半导体场效应晶体管215开启。N型金属氧化物半导体场效应晶体管211的门极由反相器250接收低信号，因此N型金属氧化物半导体场效应晶体管211关闭。很容易可得知图2b的操作与图2a中的输出驱动电路的操作相同。

在图2c中，P型金属氧化物半导体场效应晶体管216经由反相器255接收输入节点265的信号。假设输出节点270有高信号，且输入节点260及265分别由前级驱动器接收高信号。P型金属氧化物半导体场效应晶体管210开启，且P型金属氧化物半导体场效应晶体管216关闭。P型金属氧化物半导体场效应晶体管216的门极由反相器255接收低信号，因此P型金属氧化物半导体场效应晶体管216关闭。很容易可得知图2c的操作与图2a中的输出驱动电路的操作相同。

在图2d中，是利用N型金属氧化物半导体场效应晶体管212和P型金属氧化物半导体场效应晶体管217，不需要任何反相器。很容易可由图2a中类似的输出驱动电路，来推测图2d中的输出驱动电路的结果。

为保护本发明的驱动电路，不被静电释放效应(Electro Static Discharge，ESD)破坏，本发明于电路中使用阻抗，如图3a、3b、3c及3d所示。

比较图3a及图2a，阻抗391连结于N型金属氧化物半导体场效应晶体管325的源极和输出节点370之间。阻抗392连接于P型金属氧化物半导体场效应晶体管330的源极和输出节点370之间。阻抗391和392分别提供当静电释放效应产生时的放电途径，从而保护在电路中的晶体管组件。图3a的输出电路的操作方式基本上和图2a相似。

图3b也是公开了和图2b相似的输出电路，且含有静电释放效应的保护装置。图3b的输出电路的操作方式基本上和图2b相似。

图3c也是公开了和图2c相似的输出电路，且含有静电释放效应的保护装置。图3c的输出电路的操作方式基本上和图2c相似。

图3d也是公开了和图2d相似的输出电路，且含有静电释放效应的保护装置。图3d的输出电路的操作方式基本上和图2d相似。

以上的说明书以特定的优选实施例说明本发明。然而在不脱离本发明的范围与精神之下，本发明可以许多修改方式来实施。上述说明书和图式应该为说明性质，而非限定本发明的范围。因此本发明的范围涵盖所附的权利要求及其均等的变化与修改。