电压输入及输出电路 【技术领域】
本发明涉及一种电压输入及输出电路，特别是涉及一种适用于多种工作电压的电压输入及输出电路。
背景技术
输出入接面(I/O PIN)是集成电路与外部电路联系的一种接面装置，但当输出入接面电压所提供的电压和应用电路的电压规格不同时，其不能直接将集成电路和不同工作电压的应用电路相结合，以避免电路损毁。就目前现有的解决方法，有几种方式：
A、输出入接面电压固定，非由外部电压源提供：(假设VCC1＝5V，VCC2＝3V)
A.1当输出入接面工作电压值为VCC1，应用电路工作电压值为VCC2时：
i.当输出入接面作为输出时，因5V高于应用电路能忍受3V，此时需看应用电路能否承受，如否，则需另加逻辑电平移位器(level-shift)，以避免应用电路烧毁。
ii.当输出入接面作为输入时，应用电路工作电压值3V低于输出入接面工作电压值5V，则需另加3V转5V的逻辑电平移位器，避免输出入接面内部的史密特触发器(Schmitt trigger)耗电及转态点过低而造成功能上的不穏定。
A.2当输出入接面工作电压值为VCC2，应用电路工作电压值为VCC1时：
i.当输出入接面作为输出时，输出入接面工作电压值3V低于应用电路工作电压值5V，应接3V转5V的逻辑电平移位器。
ii.当输出入接面作为输入时，应用电路工作电压值5V高于输出入接面工作电压值接3V，需看输出入接面能否容忍，若不行的话，则需另加逻辑电平移位器，以避免输出入接面烧毁。
B、输出入接面工作电压可变，由外部电压源提供：目前的作法，需一根功率接脚输入端，让外部电压源可通过该接脚提供其它输入/输出接脚电压，如此的好处是输入/输出接脚可调整工作电压和应用电路的相同，且不需额外的逻辑电平移位器。惟其缺点是，一定会有一功率接脚无法做其它应用；因该外部电压源的输入/输出接脚位置固定，当集成电路规格决定后，便不能变动。如集成电路使用外部电压源作为功率来源，使用者若需某些接面为5V的系统，便需在功率接脚输入端输入5V电压。但若使用者想在某个接面用3V，另一个接面用5V，上述方式便无法达成，因为所有接面的电压都来自同一功率接脚输入端。
因此，如何研发出一种电压输入及输出电路，其可解决集成电路在接收或传送信号因外部电路规格不同而工作电压相异的问题，进而让使用者增加电压规格的使用弹性且可减少因外部电路电压规格不同而需开发多种集成电路的成本，将是本发明所欲积极探讨之处。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电压输入及输出电路，其主要目的为解决现有集成电路在接收或传送因外部电路规格不同而电压相异的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电压输入及输出电路，其适用于多种工作电压，包含有：
一工作电压选择单元，其产生一第一控制信号及至少一第二控制信号；
一第一输出入接面单元，其耦接于该工作电压选择单元以接收该第一控制信号，其中该第一输出入接面单元具有一第一电压输入端根据该第一控制信号决定是否接收一集成电路的电压、一第一电压信号输出入端根据该第一控制信号决定是否接收一外部电压或输出入一第一外部信号、一第一信号输出端根据该第一控制信号决定其信号输出状态及一第一电压输出端以输出该外部电压或输出入该第一外部信号；以及
至少一第二输出入接面单元，其耦接于该工作电压选择单元以接收该第二控制信号且耦接于该第一输出入接面单元，其中该第二输出入接面单元具有一第二电压输入端根据该第二控制信号决定是否接收该集成电路的电压、一第二电压信号输出入端以输出入一第二外部信号、一第二信号输出端根据该第二控制信号决定其信号输出状态及一第三电压输入端与该第一电压输出端耦接。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第一控制信号由一第一开关控制信号、一第二开关控制信号及一第三开关控制信号所构成。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第一输出入接面单元包含有：
一第一P型金氧半场效晶体管，其源极与该第一电压输入端耦接、其栅极接收该第一开关控制信号及其漏极与该第一电压信号输出入端耦接；
一第一N型金氧半场效晶体管，其漏极与该第一P型金氧半场效晶体管的漏极耦接、其栅极接收该第二开关控制信号及其源极接地；以及
一第一史密特触发器，其第一端与该第一电压输入端耦接，其第二端接收该第三开关控制信号，其输出端与该第一信号输出端耦接，其输入端同时与该第一电压信号输出入端以及该第一电压输出端耦接。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第二控制信号由一第四开关控制信号、一第五开关控制信号、一第六开关控制信号、一第七开关控制信号及一第八开关控制信号所构成。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第二输出入接面单元包含有：
一第二P型金氧半场效晶体管，其源极与该第二电压输入端耦接、其栅极接收该第四开关控制信号及其漏极与该第二电压信号输出入端耦接；
一第二N型金氧半场效晶体管，其漏极与该第二P型金氧半场效晶体管的漏极耦接、其栅极接收该第五开关控制信号及其源极接地；
一第三P型金氧半场效晶体管，其源极与该第三电压输入端耦接、其栅极接收该第六开关控制信号及其漏极与该第二电压信号输出入端耦接；
一第二史密特触发器，其第一端与该第三电压输入端耦接，其第二端接收该第七开关控制信号及其输入端与该第二电压信号输出入端耦接；
一第三史密特触发器，其第一端与该第二电压输入端耦接，其第二端接收该第八开关控制信号及其输入端与该第二电压信号输出入端耦接；
一逻辑电平移位器，其一端与该第二电压输入端耦接，其输入端与该第二史密特触发器的输出端耦接；以及
一或门，其一输入端与该逻辑电平移位器的输出端耦接，其另一输入端与该第三史密特触发器的输出端耦接及其输出端与该第二信号输出端耦接。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第一电压信号输出入端的信号输出状态为高电平、低电平或短路。
所述的电压输入及输出电路，其中，该第二电压信号输出入端的信号输出状态为高电平、低电平或短路。
藉此，解决集成电路在接收或传送信号因外部电路规格不同而工作电压相异的问题，进而让使用者增加电压规格的使用弹性且可减少因外部电路电压规格不同而需开发多种集成电路的成本。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
图1为本发明的电压输入及输出电路的较佳实施例的系统方块图；
图2为本发明的第一输出入接面单元的较佳实施例的电路图；
图3为本发明的第二输出入接面单元的较佳实施例的电路图；
图4为根据图3的第二输出入接面单元，其使用集成电路电压的等效电路示意图；
图5为根据图3的第二输出入接面单元，其使用外部电压的等效电路示意图；
图6为本发明的第二输出入接面单元另一较佳具体实施例电路图；
图7为本发明的第二输出入接面单元另一较佳具体实施例电路图；
图8为本发明的电压输入及输出电路的较佳实施例的系统方块图；
图9为根据第一输出入接面单元较佳具体实施例的各开关控制信号真值；
图10A-图10D为根据第二输出入接面单元较佳具体实施例的各开关控制信号真值；
图11为根据图7或图8的第二输出入接面单元另一较佳具体实施例地各开关控制信号真值。
其中，附图标记：
1 电压输入及输出电路
2 工作电压选择单元
3 第一输出入接面单元
4 第一电压输入端
5 第一电压信号输出入端
6 第一信号输出端
7 第一电压输出端
8 第二输出入接面单元
9 第二电压输入端
10 第二电压信号输出入端
11 第二信号输出端
12 第一开关控制信号
13 第二开关控制信号
14 第三开关控制信号
15 第一P型金氧半场效晶体管
16 第一N型金氧半场效晶体管
17 第一史密特触发器
18 第四开关控制信号
19 第五开关控制信号
20 第六开关控制信号
21 第七开关控制信号
22 第八开关控制信号
23 第二P型金氧半场效晶体管
24 第二N型金氧半场效晶体管
25 第三P型金氧半场效晶体管
26 第二史密特触发器
27 第三史密特触发器
28 逻辑电平移位器
29 或门
30 控制信号端
31 控制信号端
32 P型金氧半场效晶体管
33 组件
34 第九控制信号
35 第十控制信号
36 第三电压输入端
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。
图1为本发明的电压输入及输出电路的较佳实施例的系统方块图，其说明具有两个输出入接面单元的情形，请参考图1，本发明的电压输入及输出电路1，其适用于多种工作电压，包含有：一工作电压选择单元2，其产生一第一控制信号及一第二控制信号；一第一输出入接面单元3，其耦接于该工作电压选择单元2以接收该第一控制信号，其中该第一输出入接面单元3具有一第一电压输入端4根据该第一控制信号决定是否接收一集成电路的电压、一第一电压信号输出入端5根据该第一控制信号决定是否接收一外部电压或输出入一第一外部信号(例如，高电平、低电平或短路)、一第一信号输出端6根据该第一控制信号决定其信号输出状态及一第一电压输出端7以输出该外部电压或输出入该第一外部信号；以及一第二输出入接面单元8，其耦接于该工作电压选择单元2以接收该第二控制信号且耦接于该第一输出入接面单元3，其中该第二输出入接面单元8具有一第二电压输入端9根据该第二控制信号决定是否接收该集成电路的电压、一第二电压信号输出入端10以输出入一第二外部信号(例如，高电平、低电平或短路)、一第二信号输出端11根据该第二控制信号决定其信号输出状态及一第三电压输入端36与该第一电压输出端7耦接。当使用者欲将该第一输出入接面单元3以及该第二输出入接面单元8均使用该集成电路的电压时，则该工作电压选择单元2利用该第一控制信号以及该第二控制信号分别控制该第一输出入接面单元3以及该第二输出入接面单元8，使该第一电压输入端4接收该集成电路的电压，此时该第一电压信号输出入端5将做为集成电路与外部电路的信号交流管道，而输出入该第一外部信号，该第一信号输出端6则根据该第一控制信号决定其信号输出至集成电路的状态，该第一电压输出端7则会输出入该第一外部信号至该第二输出入接面单元8，而该第二输出入接面单元8亦是使用该集成电路的电压，该第二电压信号输出入端10将做为集成电路与外部电路的信号交流管道，而输出入该第二外部信号，该第二信号输出端11则根据该第二控制信号决定其信号输出至集成电路的状态。如当使用者欲将该第二输出入接面单元8使用该外部电压时，则该工作电压选择单元2利用该第一控制信号以及该第二控制信号分别控制该第一输出入接面单元3以及该第二输出入接面单元8，使该第一电压输入端4接收该集成电路的电压，此时该第一电压信号输出入端5将接收该外部电压，该第一信号输出端6的信号输出状态为低电位，该第一电压输出端7则会输出该外部电压至该第二输出入接面单元8，而该第二输出入接面单元8将会使用该外部电压，此时该第二电压信号输出入端10将做为集成电路与外部电路的信号交流管道，而输出入该第二外部信号，该第二信号输出端11则根据该第二控制信号决定其信号输出至集成电路的状态。
图2为本发明的第一输出入接面单元的较佳实施例的电路图，请参考图2并配合图1，为使该第一输出入接面单元3根据该第一控制信号的内容控制各组件的运作，该第一控制信号在此实施例中由一第一开关控制信号12、一第二开关控制信号13及一第三开关控制信号14所构成。而该第一输出入接面单元3包含有：一第一P型金氧半场效晶体管15，其源极与该第一电压输入端耦接、其栅极接收该第一开关控制信号12及其漏极与该第一电压信号输出入端5耦接；一第一N型金氧半场效晶体管16，其漏极与该第一P型金氧半场效晶体管15的源极耦接、其栅极接收该第二开关控制信号13及其源极接地；以及一第一史密特触发器17，其第一端与该第一电压输入端4耦接，其第二端接收该第三开关控制信号14，其输出端与该第一信号输出端6耦接，其输入端同时与该第一电压信号输出入端5以及该第一电压输出端7耦接。
图3为本发明的第二输出入接面单元的较佳实施例的电路图，请参考图3并配合图1，为使该第二输出入接面单元8根据该第二控制信号的内容控制各组件的运作，该第二控制信号在此实施例中由一第四开关控制信号18、一第五开关控制信号19、一第六开关控制信号20、一第七开关控制信号21及一第八开关控制信号22所构成。而该第二输出入接面单元8包含有：一第二P型金氧半场效晶体管23，其源极与该第二电压输入端9耦接、其栅极接收该第四开关控制信号18及其漏极与该第二电压信号输出入端10耦接；一第二N型金氧半场效晶体管24，其漏极与该第二P型金氧半场效晶体管23的源极耦接、其栅极接收该第五开关控制信号19及其源极接地；一第三P型金氧半场效晶体管25，其源极与该第三电压输入端36耦接、其栅极接收该第六开关控制信号20及其漏极与该第二电压信号输出入端10耦接；一第二史密特触发器26，其第一端与该第三电压输入端36耦接，其第二端接收该第七开关控制信号21及其输入端与该第二电压信号输出入端10耦接；一第三史密特触发器27，其第一端与该第二电压输入端9耦接，其第二端接收该第八开关控制信号22及其输入端与该第二电压信号输出入端10耦接；一逻辑电平移位器28，其一端与该第二电压输入端9耦接，其输入端与该第二史密特触发器26的输出端耦接；以及一或门29，其一输入端与该逻辑电平移位器28的输出端耦接，其另一输入端与该第三史密特触发器27的输出端耦接及其输出端与该第二信号输出端11耦接。
图4为根据图3的第二输出入接面单元，其使用集成电路(第二电压输入端9)的电压的等效电路示意图，此时通过工作电压选择单元2使第六开关控制信号20为高电平，第七开关控制信号21亦为高电平，进而使该逻辑电平移位器28的输出端为低电平，此时虚线框中的组件(第三P型金氧半场效晶体管25、第二史密特触发器26以及逻辑电平移位器28)将被关闭，如此则该第二输出入接面单元8将会使用集成电路的电压。
图5为根据图3的第二输出入接面单元，其使用外部电压(第三电压输入端36)的等效电路示意图，此时通过工作电压选择单元2使第四开关控制信号18为高电平，第八开关控制信号22亦为高电平，进而使第三史密特触发器27的输出端为低电平，此时虚线框中的组件(第二P型金氧半场效晶体管23以及第三史密特触发器27)将被关闭，如此则该第二输出入接面单元8将会使用外部电压。
表1以及表2A-表2D分别为根据上述第一输出入接面单元3及第二输出入接面单元8较佳具体实施例的各开关控制信号真值表，详细运作方式请同时参考表1以及表2A-表2D，并配合图1、图2以及图3，现有本领域技术人员便可轻易获知本发明的电路运作方式。
图6及图7为本发明的第二输出入接面单元较佳具体实施例电路图以及表3为其真值表。请同时参考图6、图7及表3，工作电压选择单元2可通过组件33使用第九控制信号34和第十控制信号35控制第二输出入接面单元8，或是如图8第九控制信号34选择使用第二电压输入端9的集成电路电压或第三电压输入端36的外部电压，而第十控制信号35决定第二P型金氧半场效晶体管23及第三P型金氧半场效晶体管25的开或关。
图8为本发明的电压输入及输出电路的较佳实施例的系统方块图，其说明具有多个第二输出入接面单元8的情形，其中第二输出入接面单元8的可能内部电路及运作方式以于前文详述，在此将以更为实际的运作对本实施例做说明。令集成电路为5V工作电压的系统，外部工作电压为3.3V，输出入接面单元共有八个，其中第一输出入接面单元3使用第一输出入接面单元的架构，而输出入接面单元80～86使用第二输出入接面单元的架构。第一输出入接面单元3的逻辑表示可选为普通电压信号输出入端(逻辑0)或当外部电压输入源(逻辑1)。而其它输出入接面单元80～86也可选择操作在5V(逻辑0)或3.3V(逻辑1)工作电压的系统。第一输出入接面单元3及输出入接面单元80～86的控制信号分别为第一控制信号及第二控制信号～第八控制信号。
1.设当第一控制信号～第八控制信号为8’b1111_1111时，表示第一输出入接面单元3输入为3.3V，而输出入接面单元80～86的工作电压由第一输出入接面单元3的3.3V提供。
(1)当使用者进一步设定输出入接面单元80～86输出为3.3V时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝1；
第二控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝0、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
(2)当使用者设定输出入接面单元80～83为信号输入状态，输出入接面单元84～86输出为3.3V时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝1；
第二控制信号～第五控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、一第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
第六控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝0、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
(3)当使用者设定输出入接面单元80～83设为输入状态，输出入接面单元84～86输出为0V时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝1；
第二控制信号～第五控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
第六控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝1、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
2.设当第一控制信号～第八控制信号为8’b1111_0000时，表示第一输出入接面单元3输入为3.3V，而输出入接面单元80～83的工作电压由第一输出入接面单元3的3.3V提供，输出入接面单元84～86的工作电压为5V。
(1)当使用者进一步设定输出入接面单元80～83输出为0V，输出入接面单元84～86输出为5V时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝1；
第二控制信号～第五控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝1、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
第六控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝0、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝1及第八开关控制信号22＝0；
(2)当使用者设定输出入接面单元80～86为输入状态时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝1；
第二控制信号～第五控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝0及第八开关控制信号22＝1；
第六控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝1及第八开关控制信号22＝0；
3.设当第一控制信号～第八控制信号为8’b0000_0000时，表示第一输出入接面单元3及输出入接面单元80～86皆为5V工作电压。
(1)当使用者进一步设定输出入接面单元80～82为输入状态，输出入接面单元83～84输出为0V，输出入接面单元85～86及第一输出入接面单元3输出为5V时：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝0，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝0；
第二控制信号～第四控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝1及第八开关控制信号22＝0；
第五控制信号～第六控制信号：第四开关控制信号18＝1、第五开关控制信号19＝1、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝1及第八开关控制信号22＝0；
第七控制信号～第八控制信号：第四开关控制信号18＝0、第五开关控制信号19＝0、第六开关控制信号20＝1、第七开关控制信号21＝1及第八开关控制信号22＝0；
(2)同(1)，只将第一输出入接面单元3改为输出0V：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝1，第三开关控制信号14＝0；
(3)同(1)，只将第一输出入接面单元3改为输入：
第一控制信号：第一开关控制信号12＝1，第二开关控制信号13＝0，第三开关控制信号14＝0；
以上所述的各个较佳具体实施例，仅是为了方便说明本发明，而非限制本发明的专利范围，其中举例的电路结构，使用者可依实际的产品需要而有不同但等效的调整，以获得最佳的效果。
由以上所述可以清楚地明了，本发明提供一种电压输入及输出电路，解决集成电路在接收或传送信号因外部电路规格不同而工作电压相异的问题，进而让使用者增加电压规格的使用弹性且可减少因外部电路电压规格不同而需开发多中集成电路的成本。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。