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高速、低功耗电平移位电路

申请号 CN201710750385.7 申请日 2017-08-28 公开(公告)号 CN107528579A 公开(公告)日 2017-12-29
申请人 天津大学; 发明人 徐江涛; 王金龙; 高静; 史再峰; 聂凯明;
摘要 本 发明 涉及模拟集成 电路 设计领域,为能够 覆盖 更宽范围的转换 电压 和更高的工作 频率 ,实现高速、低功耗。本发明,高速、低功耗电平移位电路,由N型MOS器件MN1~MN4,P型MOS器件MP1~MP4,电容Mc以及两个反向器组成,MP3,MP4源端接VDDH,栅端连接在一起连接在MP3的漏端,MP3漏端连接MN3漏端,MP4漏端连接电容Mc上极板,MN3源端连接MN4漏端,MN4源端接地,输入 信号 IN连接在MN3栅端和低压反向器输入端,反向器输出与MP1,MN1栅端相连,MP1源端接VDDL,漏端与电容下极板相连,输出连接高压反向器输入端与MN4栅端。本发明主要应用于模拟集成电路设计制造。
权利要求

1.一种高速、低功耗电平移位电路,其特征是,由N型MOS器件MN1~MN4,P型MOS器件MP1~MP4,电容Mc以及两个反向器组成,MP3,MP4源端接VDDH,栅端连接在一起连接在MP3的漏端,构成电流源结构,MP3漏端连接MN3漏端,MP4漏端连接电容Mc上极板,MN3源端连接MN4漏端,MN4源端接地,输入信号IN连接在MN3栅端和低压反向器输入端,反向器输出与MP1,MN1栅端相连,MP1源端接VDDL,漏端与电容下极板相连,MN1源端接地,漏端与电容上极板相连,电容上极板连接MP2栅端,下极板连接MN2栅端,MP2源端接VDDH,MN2源端接地,MP2与MN2漏端连接,输出连接高压反向器输入端与MN4栅端,高压反向器输出即为电平移位电路输出。
2.如权利要求1所述的高速、低功耗电平移位电路,其特征是,低压反向器输入端为A节点,输出端为节点B,高压反向器输入端为节点D,流过MP3支路电流为ID3,流过MP4支路电流为ID4,则:当输入端节点A由低电平到高电平跳变时,由于起始时节点D为高电平,电流ID3通过MP3和MP4的电流镜结构复制得到ID4,电容在ID4作用下开始充电,使电容两端电压达到VDDH-VDDL,此时MP2栅端电压为VDDH关断,而MN2在VDDL的驱动下导通,使D节点转化为低电平,经高压反向器输出高电平,实现电平移位。D节点的低电平会使MN4关断,从而关闭电流源,完成充电过程,有:
VC(0-)=VDDH-VDDL  (1)
VC(0-)是在输入信号的从低电平到高电平转变之后电容器上的充电电压;
当输入端节点A发生高电平到低电平跳变时,节点B为高电平,MP1关闭,MN1导通,电流源处于关闭状态,MN1漏端连接电容器C的上板,使上极板为低电压,MP2导通。通过电容的作用,使晶体管MN2的栅极上产生负压而迅速关断,节点D通过MP2而迅速上升到VDDH,迅速关闭高压反向器输出,实现快速电平移位的关断,MN1导通时,电容器C的一部分电荷与寄生电容器Cp共用,因此有:
其中VC(0+)是在输入信号的从高电平到低电平转变之后电容器上的电压,寄生电容Cp=CGSN2+CDSP1,CGSN2是MN2的栅源电容,CDSP1是MP1的漏源电容。
3.如权利要求1所述的高速、低功耗电平移位电路,其特征是,在一个实例中:

说明书全文

高速、低功耗电平移位电路

技术领域

[0001] 本发明涉及模拟集成电路设计领域,特别复杂的SOC设备领域。具体讲,涉及高速、低功耗电平移位电路。

背景技术

[0002] 在无线传感器网络,随着微型保健设备和环境监测系统等领域应用的片上系统(systems on chips,SOCs)变得越来越复杂,整个系统若均采用高压电路则功耗过大,而采用低压电路的速度又很难满足性能要求。最好的解决办法是在不同模提供不同电压,高速电路提供高压,低速电路提供低压即可。因此电平移位(level shifter,LS)电路的提出具有重要意义,亚阈值电路结构的的电平移位电路应用最为广泛。
[0003] 图1所示的是基于交叉耦合结构的电平移位电路结构。在这种机构中,低电平信号VDDL以及MN1、MN2之间的反相器使节点Q和Qb电压不平衡,而交叉耦合PMOS器件则再次增加Q与Qb之间的差值达到VDDH。该结构的缺点在于,当VDDL较小时,MN1、MN2的栅极电压过小,电平移位则较难实现。这种问题已经通过增大NMOS的尺寸得到解决,但是会引起功耗大、延迟大等问题。
[0004] 图2所示的是基于电流镜结构的电平移位电路结构。这种结构具有输入电压低、速度快、面积小等优点。这种结构中的上拉部分和下拉部分几乎没有重叠,但MN1和MP2的静电流将会增加待机功率。

发明内容

[0005] 为克服现有技术的不足,本发明旨在提出一种基于电平移位电容器的新型拓扑结构。在该结构中,电容被充电后有较高的电压,可在需要时为MOS管提供较高的栅端电压,从而能够覆盖更宽范围的转换电压和更高的工作频率,实现高速、低功耗。本发明采用的技术方案是,高速、低功耗电平移位电路,由N型MOS器件MN1~MN4,P型MOS器件MP1~MP4,电容Mc以及两个反向器组成,MP3,MP4源端接VDDH,栅端连接在一起连接在MP3的漏端,构成电流源结构,MP3漏端连接MN3漏端,MP4漏端连接电容Mc上极板,MN3源端连接MN4漏端,MN4源端接地,输入信号IN连接在MN3栅端和低压反向器输入端,反向器输出与MP1,MN1栅端相连,MP1源端接VDDL,漏端与电容下极板相连,MN1源端接地,漏端与电容上极板相连,电容上极板连接MP2栅端,下极板连接MN2栅端,MP2源端接VDDH,MN2源端接地,MP2与MN2漏端连接,输出连接高压反向器输入端与MN4栅端,高压反向器输出即为电平移位电路输出。
[0006] 低压反向器输入端为A节点,输出端为节点B,高压反向器输入端为节点D,流过MP3支路电流为ID3,流过MP4支路电流为ID4,则:当输入端节点A由低电平到高电平跳变时,由于起始时节点D为高电平,电流ID3通过MP3和MP4的电流镜结构复制得到ID4,电容在ID4作用下开始充电,使电容两端电压达到VDDH-VDDL,此时MP2栅端电压为VDDH关断,而MN2在VDDL的驱动下导通,使D节点转化为低电平,经高压反向器输出高电平,实现电平移位。D节点的低电平会使MN4关断,从而关闭电流源,完成充电过程,有
[0007] VC(0-)=VDDH-VDDL  (1)
[0008] VC(0-)是在输入信号的从低电平到高电平转变之后电容器上的充电电压;
[0009] 当输入端节点A发生高电平到低电平跳变时,节点B为高电平,MP1关闭,MN1导通,电流源处于关闭状态,MN1漏端连接电容器C的上板,使上极板为低电压,MP2导通。通过电容的作用,使晶体管MN2的栅极上产生负压而迅速关断,节点D通过MP2而迅速上升到VDDH,迅速关闭高压反向器输出,实现快速电平移位的关断,MN1导通时,电容器C的一部分电荷与寄生电容器Cp共用,因此有
[0010]
[0011] 其中VC(0+)是在输入信号的从高电平到低电平转变之后电容器上的电压,寄生电容Cp=CGSN2+CDSP1,CGSN2是MN2的栅源电容,CDSP1是MP1的漏源电容。
[0012] 在一个实例中:
[0013] 。
[0014] 本发明的特点及有益效果是:
[0015] 本发明中的电平移位器电路,MN4管的应用可以将亚阈值信号电平转换为超阈值信号电平,功耗低,适合低功耗应用,如无线传感器网络或医疗设备。本发明电路实现了基于电容器的电平移位器拓扑结构,可有效减小转换延迟。当输入信号检测到低电平到高电平的转换时,电平移位电容器将被快速充电,以便提升内部节点电压,并迅速达到高电压输出电平。与其他电路解决方案相比,所提出的电路传播延迟小、功耗低。附图说明:
[0016] 图1基于交叉耦合结构的电平移位电路结构。
[0017] 图2基于电流镜结构的电平移位电路结构。
[0018] 图3高速、低功耗电平移位电路结构。
[0019] 图4两种输入信号下转换电路的操作原理图。

具体实施方式

[0020] 本发明旨在提供一种高速、低功耗电平移位电路,本发明提出的技术方案电路图如图3所示。从图中得知,该电路基于两个反向器结构实现电平位移,减少对反向器的使用可有效的减小电路结构面积。该电平移位电路中各晶体管之间的连接方式如下:
[0021] 所述电路由N型MOS器件MN1~MN4,P型MOS器件MP1~MP4,电容Mc以及两个反向器组成。VDDL为电路中低压电源,VDDH为电路中高压电源。MP3,MP4源端接VDDH,栅端连接在一起连接在MP3的漏端,构成电流源结构。MP3漏端连接MN3漏端,MP4漏端连接电容Mc上极板。MN3源端连接MN4漏端,MN4源端接地。输入信号IN连接在MN3栅端和低压反向器输入端,反向器输出与MP1,MN1栅端相连。MP1源端接VDDL,漏端与电容下极板相连。MN1源端接地,漏端与电容上极板相连。电容上极板连接MP2栅端,下极板连接MN2栅端。MP2源端接VDDH,MN2源端接地,MP2与MN2漏端连接,输出连接高压反向器输入端与MN4栅端,高压反向器输出即为电平移位电路输出。为更好说明原理,假设低压反向器输入端为A节点,输出端为节点B,高压反向器输入端为节点D,流过MP3支路电流为ID3,流过MP4支路电流为ID4。
[0022] 图4示出了两种输入信号下转换电路的操作,灰色晶体管代表截止,黑色晶体管为导通,跳变曲线为电平转换情况。如图4(a)所示,当输入端节点A由低电平到高电平跳变时,由于起始时节点D为高电平,电流ID3通过MP3和MP4的电流镜结构复制得到ID4,电容在ID4作用下开始充电,使电容两端电压达到VDDH-VDDL。此时MP2栅端电压为VDDH关断,而MN2在VDDL的驱动下导通,使D节点转化为低电平,经高压反向器输出高电平,实现电平移位。D节点的低电平会使MN4关断,从而关闭电流源,完成充电过程,有
[0023] VC(0-)=VDDH-VDDL  (1)
[0024] VC(0-)是在输入信号的从低电平到高电平转变之后电容器上的充电电压。
[0025] 如图4(b)所示,当输入端节点A发生高电平到低电平跳变时,节点B为高电平,MP1关闭,MN1导通。电流源处于关闭状态,MN1漏端连接电容器C的上板,使上极板为低电压,MP2导通。通过电容的作用,使晶体管MN2的栅极上产生负压而迅速关断。节点D通过MP2而迅速上升到VDDH,可迅速关闭高压反向器输出,实现快速电平移位的关断。MN1导通时,电容器C的一部分电荷与寄生电容器Cp共用,因此有
[0026]
[0027] 其中VC(0+)是在输入信号的从高电平到低电平转变之后电容器上的电压,寄生电容Cp=CGSN2+CDSP1,CGSN2是MN2的栅源电容,CDSP1是MP1的漏源电容。
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰,下面将结合实例给出本发明实施方式的具体描述。采用0.18微米工艺的基础上,晶体管的最佳尺寸如下:
[0029]
[0030] 当输入信号为0.4V时传播延迟可缩减至29ns,功率消耗为61.5nW,实现了低功耗、低延时的优异性能。
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