一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器的製作方法
2023-10-07 21:07:59 5
專利名稱：一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及邏輯電平轉換電路，尤其是一種可以工作在亞閾值區域的邏輯電平轉 換器，它可以有效的將低電壓域VddL = 200mV輸入信號轉換成高電壓域VddH = 400mV的輸出 信號，為一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器。
背景技術：
隨著集成電路設計技術的發展，在新一代的集成電路設計中，為了達到設計目標， 設計者常常使用多路電壓(MSV)方法允許使用不同Vdd的設計分實體或塊，而隨之引入的低 電壓邏輯，使得系統內部常常出現輸入/輸出邏輯不協調的問題，因此應插入一個電平轉 換器(logic level translator)將信號從低電壓域V『轉換到高電壓域VddH，以確保正確 的信號轉移。例如，當1. 8V的數字電路與工作在3. 3V的模擬電路進行通信時，需要首先解 決兩種電平的轉換問題，這時就需要電平轉換器。當電源電壓下降到亞閾值區域後，這種需 求更加迫切，本發明針對亞閾值的邏輯電平轉換設計了一種低靜態功耗電容型邏輯電平轉 換電路，對亞閾值電路的設計具有重要意義。發明內容
本發明要解決的問題是現有集成電路的多路電壓方法，引入了低電壓邏輯，使得 系統內部常常出現輸入/輸出邏輯不協調的問題，需要提供一種可以工作在亞閾值區域的 低靜態功耗邏輯電平轉換器。
本發明的技術方案為一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器，將 低電壓域電平Vi轉換到高電壓域電平VddH，設有一個NMOS管麗1，一個電容CL，兩個PMOS 管MPl和MP2以及一個反相器，其中PMOS管MPl的源極與低電壓域電平V『連接，柵極、漏 極和體端連接在一起後，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設置在PMOS管MPl柵極、漏 極和體端的連接點與轉換器的輸入端Vin之間；PMOS管MP2的源極和體端與高電壓域電平 VddH相連，漏極和NMOS管麗1的漏極連接後作為反相器的輸入與反相器相連，NMOS管麗1 的柵極與輸入端Vin相連，源極和體端接GND ；反相器的電源電壓接高電壓域電平VddH，地線 接GND，反相器的輸出端為轉換器的輸出端Vout。
進一步的，用NMOS管麗2等效電容CL，PMOS管MPl的柵極、漏極和體端連接在一 起後，連接NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起後與轉換器的輸入端 Vin相連，即NMOS管麗2做電容型連接，且連接後的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接 GND。
本發明克服現有技術的缺陷，針對亞閾值電路的實際特點，提供一種可以工作在 亞閾值區域的低靜態功耗邏輯電平轉換器，該邏輯電平轉換器可以有效的工作在亞閾值區 域，達到性能最優，使得亞閾值設計中各個設計分實體或塊使用不同的Vdd成為可能。
與現有技術相比，本發明具有以下優點及顯著效果
(1)本發明可以有效的工作在亞閾值區域，經過驗證本發明的電容型電平轉換器可以有效的將VddL = 200mV輸入信號轉換成Vdda = 400mV的輸出信號，即表明本發明的電路 可以有效的實現亞閾值邏輯電平的轉換。
( 本發明的電容型邏輯電平轉換器具有較低的靜態功耗。在2007年， HwangMyeong-Eun，A. Raychowdhury, Kim Keejong 等人已經在 VLSI Circuits 的一篇文 獻中提出一種模擬方法，該方法使用了差分放大器轉換(GND，VdJ幅度成(GND，VddH)幅 度，遺憾的是，該方法需要一個靜態偏置電流，需要引進大量的靜態能耗開銷。本發明由 於採用電容型邏輯電平轉換，有效的避免了這些靜態功耗，所以相對HwangMyeong-Eim， A. Raychowdhury, Kim Keejong等人的設計本發明的電路具有更低的靜態功耗。
圖1是本發明的電容型邏輯電平轉換電路的結構圖。
圖2是本發明的電容型邏輯電平轉換器工作在亞閾值區域的波形圖V- = 200mV 且 Vdda = 400mV。
具體實施方式
參看圖1，本發明的低靜態功耗電容型邏輯電平轉換器，可以工作在亞閾值區域， 將低電壓域電平Vi轉換到高電壓域電平VddH，設有一個NMOS管麗1，一個電容CL，兩個 PMOS管MPl和MP2以及一個反相器，其中PMOS管MPl的源極與低電壓域電平V-連接，柵 極、漏極和體端連接在一起後，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設置在PMOS管MPl柵極、 漏極和體端的連接點與轉換器的輸入端Vin之間；PMOS管MP2的源極和體端與高電壓域電 平Vdda相連，漏極和NMOS管MNl的漏極連接後作為反相器的輸入與反相器相連，NMOS管MNl 的柵極與輸入端Vin相連，源極和體端接GND ；反相器的電源電壓接高電壓域電平VddH，地線 接GND，反相器的輸出端為轉換器的輸出端Vout。
也可以用NMOS管麗2等效電容CL，PMOS管MPl的柵極、漏極和體端連接在一起後， 連接NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起後與轉換器的輸入端Vin相 連，即NMOS管麗2做電容型連接，且連接後的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接GND。
在本發明實際的操作過程中，先對升壓電容CL進行充電，將CL的電位抬升，當輸 入電壓發生變化時，例如從低邏輯電壓模塊的邏輯低電平跳變為邏輯高電平，此時由於CL 的電壓不能突變，因此輸出電位將遠高於低邏輯電壓模塊的邏輯高電平，從而達到邏輯電 平轉換的目的。
本發明的邏輯電平轉換電路的工作原理如下
假定輸入端Vin = " 0〃，二極體連接電晶體MPl開啟，升壓電容器CL電位被充電 至Vi ；此時MPl、MP2和CL相連接的節點X是連接到MPl的體端，形成正向偏置的體源PN 結，MPl的閾值電壓值降低以減小CL的充電電位。當Vin上升至V-，MPl關閉，使節點X隨 著遠高於V『(近2VdJ的上升電位而浮動，該高電位關閉MP2，因此最終輸出達到預期的 VddH。在本發明中CL作為升壓電容使用，其電容值僅為1 2fF，可以採用兩種不同的具體 實現方式，一種是使用金屬層之間的電容來實現，另外一種是使用NMOS管MN2電晶體寄生 的柵源電容Ces和柵漏電容CeD來實現，見圖1。
為了進一步驗證本發明的電容型邏輯電平轉換器在亞閾值區域的有效性，下面對本發明的電路進行仿真驗證。圖2是電容型電平轉換器在νω = 200mV且VddH = 400mV時的 波形，圖中所示的波形可以充分證明本發明電容型電平轉換器可以有效的將Vdta = 200mV 輸入信號轉換成Vdda 二 400mV的輸出信號，即本發明的電容型邏輯電平轉換器可以有效的 工作在亞閾值區域。
權利要求
1.一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器，將低電壓域電平V『轉換到 高電壓域電平VddH，其特徵在於設有一個NMOS管MNl，一個電容CL，兩個PMOS管MPl和MP2 以及一個反相器，其中PMOS管MPl的源極與低電壓域電平V-連接，柵極、漏極和體端連接 在一起後，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設置在PMOS管MPl柵極、漏極和體端的連接 點與轉換器的輸入端Vin之間；PMOS管MP2的源極和體端與高電壓域電平VddH相連，漏極 和NMOS管MNl的漏極連接後作為反相器的輸入與反相器相連，NMOS管MNl的柵極與輸入 端Vin相連，源極和體端接GND ；反相器的電源電壓接高電壓域電平Vdda,地線接GND，反相器 的輸出端為轉換器的輸出端Vout。
2.根據權利要求1所述的一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器，其特 徵在於用NMOS管麗2等效電容CL，PMOS管MPl的柵極、漏極和體端連接在一起後，連接 NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起後與轉換器的輸入端Vin相連， 即NMOS管麗2做電容型連接，且連接後的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接GND。
全文摘要
一種亞閾值區域低靜態功耗的電容型邏輯電平轉換器，將低電壓域電平VddL轉換到高電壓域電平VddH，採用電容型邏輯電平轉換。本發明可以有效的工作在亞閾值區域，電容型邏輯電平轉換器具有較低的靜態功耗。
文檔編號H03K19/0175GK102035534SQ201010622690
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者餘群齡, 時龍興, 柏娜, 蔡志匡, 黃凱 申請人:東南大學