[發(fā)明專利]具有低輸入電壓轉(zhuǎn)寬范圍高輸出電壓的高速電平切換器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210073299.4
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN103259521A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃朝巖;莊榮圳
• 申請（專利權(quán)）人: 創(chuàng)意電子股份有限公司;臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H03K19/0185
• 分類號: H03K19/0185
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 史新宏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電平切換器(level?shifter)，特別是涉及一種具有低輸入電壓轉(zhuǎn)寬范圍高輸出電壓的高速電平切換器。?

背景技術(shù)

電平切換器可接收電壓范圍較小的輸入信號并將其對應(yīng)地轉(zhuǎn)換為電壓范圍較大的輸出信號，是接口電路中的重要元件。一般來說，為了要加快集成電路(IC)的處理速度，集成電路(IC)中會有一核心電路(core?circuit)其核心電壓(core?voltage)較低。當(dāng)核心電路需要輸出信號至集成電路外部時，即需要利用電平切換器作為接口電路來將較低的核心電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出入電壓。?

請參考圖1，其所示為電平切換器的示意圖。電平切換器100包括：一輸入側(cè)邏輯單元(input?side?logic?unit)110、鎖存單元(latching?unit)120、以及輸出側(cè)緩沖單元(output?side?buffering?unit)130。基本上，輸入信號(Sin)的高低電平會在核心電壓(Vcore)至接地電壓(0V)之間；而輸出信號(Sout)的高低電平會在輸出入電壓(Vio)至接地電壓(0V)之間。換句話說，當(dāng)輸入信號(Sin)為低電平(0V)時，輸出信號(Sout)為低電平(0V)；當(dāng)輸入信號(Sin)為高電平(Vcore)時，鎖存單元120會進行電壓電平轉(zhuǎn)換的動作，并使得輸出信號(Sout)為高電平(Vio)。?

請參考圖2，其所示為現(xiàn)有的電平切換器的電路圖。輸入側(cè)邏輯單元100包括一反相器INV1運作于核心電壓(Vcore)與接地電壓(0V)之間，其輸入端接收輸入信號(Sin)。由于輸入側(cè)邏輯單元110中所有的電路元件皆操作在核心電壓(Vcore)與接地電壓(0V)之間，因此其電路元件皆可用薄氧化層元件(thin-oxide?device)來組成。?

鎖存單元120包括晶體管P1、晶體管P2、晶體管N1、與晶體管N2，而晶體管N1與晶體管N2組合成為一負載單元126。其中，晶體管P1源極?連接至輸出入電壓(Vio)，漏極連接至節(jié)點a1，柵極連接至節(jié)點a2；晶體管P2源極連接至輸出入電壓(Vio)，漏極連接至節(jié)點a2、柵極連接至節(jié)點a1；晶體管N1源極連接至接地端(GND)，漏極連接至節(jié)點a1，柵極連接至反相器INV1輸出端；晶體管N2源極連接至接地端(GND)，漏極連接至節(jié)點a2、柵極接收輸入信號(Sin)。由于鎖存單元120中所有的電路元件操作在輸出入(Vio)與接地電壓(0V)之間，因此其電路元件皆用厚氧化層元件(thick-oxide?device)來組成。?

輸出側(cè)緩沖單元130包括一反相器INV2運作于輸出入(Vio)與接地電壓(0V)之間，其輸入端連接至節(jié)點a2，其輸出端產(chǎn)生輸出信號(Sout)。同理，由于輸出側(cè)緩沖單元130中所有的電路元件操作在輸出入(Vio)與接地電壓(0V)之間，因此其電路元件皆用厚氧化層元件來組成。?

接著介紹現(xiàn)有的電平切換電路100的動作原理。假設(shè)核心電壓(Vcore)視為第一高電平，輸出入電壓(Vio)視為第二高電平，而接地電壓視為低電平。當(dāng)輸入信號(Sin)為第一高電平時，反相器INV1輸出端為低電平。再者，晶體管N2開啟(turn?on)、晶體管N1關(guān)閉(turn?off)、晶體管P1開啟(turn?on)、晶體管P2關(guān)閉(turn?off)；所以，節(jié)點a1產(chǎn)生第二高電平、節(jié)點a2產(chǎn)生低電平，因此反相器INV2輸出端的輸出信號(Sout)為第二高電平。?

當(dāng)輸入信號(Sin)為低電平時，反相器INV1輸出端為第一高電平。再者，晶體管N1開啟(turn?on)、晶體管N2關(guān)閉(turn?off)、晶體管P2開啟(turn?on)、晶體管P1關(guān)閉(turn?off)；所以，節(jié)點a1產(chǎn)生低電平、節(jié)點a2產(chǎn)生第二高電平，因此反相器INV2輸出端的輸出信號(Sout)為低電平。?

由于輸出入電壓(Vio)的大小會影響晶體管P1與晶體管P2開啟與關(guān)閉的強度(strength)，使得鎖存單元120的鎖存速度受到影響。因此，上述的電平切換器電路在進行設(shè)計時，必須先確定核心電壓(Vcore)以及輸出入電壓(Vio)的大小后，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整晶體管的尺寸(size)后才能適用于特定的用途。?