專利名稱：N阱電位切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于N阱電位切換技術(shù)、可以連接大阻值上拉電阻且 徹底消除N阱電位切換時(shí)PMOS閾值電壓限制的3/5V兼容輸入輸出的電 路，屬于微電子技術(shù)。
技術(shù)背景在集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域里， 一個(gè)工作在一定低電壓下的芯片經(jīng)常需要 和一個(gè)工作在相對(duì)高電壓的芯片相連接，例如一個(gè)工作在3.3V電壓下的 CPU需要和一個(gè)工作在5.0V電壓下的外圍電路相連，3.3V的CPU產(chǎn)生 的高電平信號(hào)為3.3V，而5.0V外圍設(shè)備產(chǎn)生的高電平信號(hào)為5.0V，為了 實(shí)現(xiàn)線與(線或)信號(hào)，會(huì)把它們的輸出信號(hào)連接在一起，若不加任何保 護(hù)措施的話，很明顯，5.0V電源的電流會(huì)倒灌入3.3V電源；而且若連接 的外圍電路上拉電阻為大阻值電阻的時(shí)候，譬如100kQ，發(fā)現(xiàn)芯片的輸出 端可能產(chǎn)生振蕩，如圖2所示。雖然現(xiàn)在己經(jīng)產(chǎn)生了一些N阱電位切換技 術(shù)能解決此問題，但這些技術(shù)的原理歸根結(jié)底都是建立在如圖1所示的傳 統(tǒng)解決方案下的，這種電路存在以下的缺點(diǎn)(1) PAD上的電壓必須要滿足N阱電位才能實(shí)現(xiàn)正常的切換到電壓較高的外部上拉電源。若PAD電壓處于
因?yàn)閺腜AD端到制造PMOS的N阱之間有一個(gè)PN結(jié)，所以從PAD到N阱之間會(huì)持續(xù)有--'個(gè)漏電流。(2)在PAD上外接100kQ如此大的上拉電阻的情況下，PAD電位會(huì)產(chǎn) 生振蕩。在N阱電位切換前，等待PAD上的電量積蓄到滿足N阱電位切 換條件后，N阱電位開始切換。在切換的瞬間，由于M8的低電阻率，使 PAD電位立即下降并且趨于接近VDD。此時(shí)的PAD電位己經(jīng)不能滿足N 阱電位切換條件，M8恢復(fù)關(guān)閉。等M8關(guān)閉后，PAD上的電量重新開始 積蓄，然后PAD電位又會(huì)滿足切換條件，于是再次開始切換。如此反復(fù)， PAD上的電壓很容易引起振蕩，導(dǎo)致不能正常產(chǎn)生高電平。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種當(dāng)輸出端口電壓高出芯片工作電壓幾十毫 伏時(shí)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)N阱電位的正常切換，而且消除了 N阱電位切換過程 中產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，使輸出端口電平很容易地上升到外接上拉電源電壓的 切換電路。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明N阱電位切換電路包含N阱電位切換模塊、 N阱電位切換控制模塊、微電流源上拉模塊和低電平驅(qū)動(dòng)模塊，其原理如 圖3所示，其中a)所述N阱電位切換模塊由N阱電位切換主體、防抖電阻2和兩個(gè) 選通開關(guān)4和5組成構(gòu)成N阱電位切換主體的兩個(gè)PMOS管P1和P2 中，P1的源端連接電源VDD， P2的源端通過防抖電阻2連接本切換電路 的輸出端，P1的漏端、襯底和P2的漏端、襯底互相連接在一起輸出N阱 電位，P1的柵極分別與選通開關(guān)4的一端和選通開關(guān)5的一端相連，P2 的柵極連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端；選通開關(guān)4的另一端 連接到所述N阱電位，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端;選通開關(guān)5的另一端連接到地(GND)，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端；b) 所述N阱電位切換控制模塊由比較器和邏輯控制單元組成；比較器的-個(gè)輸入端連接到芯片電源VDD，另一個(gè)輸入端連接到本切換電路的 輸出端，比較器的輸出連接到邏輯控制單元的輸入端；邏輯控制單元的另 一個(gè)輸入端連接到本切換電路的輸入端，邏輯控制單元的輸出端與N阱電位切換模塊中P2的柵極相連；c) 所述微電流源上拉模塊由鏡像電流源、電流阱M、防抖電阻1和三個(gè)選通開關(guān)1 、 2和3組成；鏡像電流源的襯底連接到所述N阱電位；選通開關(guān)1的一端連接到鏡像電流源的偏置電平上，另一端連接到所述N阱電位，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊中比較器的輸出端；選通開關(guān)2的一端連接到所述鏡像電流源的輸入端，另一端通過電流阱11接地，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊中比較器的輸出端；選通開關(guān)3的一端連接到所述鏡像電流源的輸出端，另一端通過防抖電阻1連接 本切換電路的輸出端，選通端連接到本切換電路的輸入端；d) 所述低電平驅(qū)動(dòng)模塊是能提供低電平輸出驅(qū)動(dòng)能力的器件，其輸 入端和輸出端分別與本切換電路的輸入端和輸出端相連。本發(fā)明N阱電位切換電路可以利用普通的P襯底CMOS工藝制造成芯片形式，它能夠自動(dòng)識(shí)別所應(yīng)用的工作模式，并作相應(yīng)的處理在推挽
輸出特性下，芯片內(nèi)部會(huì)提供幾十微安的弱上拉能力；在開漏輸出特性下， 芯片會(huì)自動(dòng)切斷內(nèi)部微安級(jí)的弱上拉電流源，防止電流從外接上拉電源 (Vpullup)倒灌入芯片工作電源(VDD)。具有以下優(yōu)點(diǎn)(1) 徹底根除VTHp這個(gè)閎值電壓的限制。因?yàn)樵谄胀ǖ腜襯底CMOS工藝中，VTHP的值一般為-0.7 -1.2V左右，所以這個(gè)工藝固有的條件往 往會(huì)限制這些電路的應(yīng)用。而本發(fā)明N阱電位切換電路徹底根除了此限制條件。(2) 在開漏的特性下，即使外接100kQ的上拉電阻，本發(fā)明切換電路 也能保證實(shí)現(xiàn)N阱電位的正常切換，無振蕩產(chǎn)生(如圖5所示)。(3) 在幵漏的特性下，輸出高電平時(shí)，外接上拉電源真正實(shí)現(xiàn)零漏電。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)N阱電位切換電路原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)N阱電位切換過程中容易產(chǎn)生的抖動(dòng)振蕩波形示意圖；圖3是本發(fā)明N阱電位切換電路原理圖； 圖4是本發(fā)明N阱電位切換電路實(shí)施例原理圖； 圖5是本發(fā)明N阱電位切換電路的仿真波形圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明N阱電位切換電路的一個(gè)實(shí)施例如圖4所示，它由N阱電位切 換模塊、N阱電位切換控制模塊、微電流源上拉模塊和低電平驅(qū)動(dòng)模塊組成。微電流源上拉模塊主要產(chǎn)生一個(gè)弱驅(qū)動(dòng)能力的微電流源， 一般為幾十
微安。模塊中的M為芯片產(chǎn)生的參考電流，經(jīng)M1、 M2構(gòu)成的鏡像電流 源放大后產(chǎn)生幾十微安的上拉電流。模塊中的M3為PMOS開關(guān)管，M4 為NMOS開關(guān)管。當(dāng)有外接上拉電源時(shí)，M3開啟，M4關(guān)閉。M3開啟的 目的是把高于VDD的N阱電位傳送到M1和M2的柵極，這樣既能關(guān)閉內(nèi) 置的弱上拉電流源，改由外接上拉電源驅(qū)動(dòng)；同時(shí)還能防止外接上拉電源 經(jīng)過R1、 M5、 M2后倒灌入Vdd，因?yàn)榇藭r(shí)的M5為導(dǎo)通狀態(tài)。M4關(guān)閉 的原因也是為了關(guān)閉弱上拉電流源，同時(shí)它還能防止N阱電位經(jīng)過M3、 M4、 11后流入地。模塊中的M5為PMOS開關(guān)管，當(dāng)輸出高電平時(shí)開啟 此MOS管，當(dāng)輸出低電平時(shí)，關(guān)閉此MOS管。模塊中的R1為N阱電 位切換時(shí)的防抖電阻，防止PAD—OUT電位產(chǎn)生振蕩。N阱電位切換控制模塊主要目的是產(chǎn)生N阱電位切換控制信號(hào)。模塊 由一個(gè)回差比較器和一個(gè)或門組成。圖中的R3是ESD保護(hù)電阻，與控制 電路的功能沒有關(guān)系。比較器的行為是當(dāng)PAD—OUT上的電平高于vdd 加一個(gè)比較器回差量(VHYS)時(shí)，比較器輸出為低電平；當(dāng)PAD—OUT上 的電平低于VoD時(shí)，比較器輸出為高電平。結(jié)合或門電路，此控制模塊處 理三個(gè)信號(hào)輸入狀態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)切換控制信號(hào)(1) 輸入COREJN-高電平。此狀態(tài)要求輸出PAD—OUT為低電平，所 以在此狀態(tài)F不考慮輸出PAD_OUT上的電平。輸出N阱電位切換 控制信號(hào)為高電平，即N阱電位為VDD。(2) 輸入COREJN-低電平，^,^r,，,〈(F朋+^、,)。相當(dāng)于沒有外接上拉電源或外接上拉電源沒有達(dá)到一定的電壓要求。輸出N阱電 位切換控制信號(hào)為高電平，即N阱電位為VDD。
(3)輸入COREJN-低電平，<formula>formula see original document page 9</formula>相當(dāng)于有外接上拉電 源且它已經(jīng)達(dá)到一定的電壓要求。輸出N阱電位切換控制信號(hào)為低 電平，即N阱電位切換為較高的外接上拉電源電壓。 N阱電位切換模塊主要用于產(chǎn)生N阱電位。根據(jù)控制模塊的控制信號(hào)它會(huì)自動(dòng)選取vdd和外接上拉電源中電壓較高的一個(gè)作為N阱電位。這樣能防止外接上拉電源倒灌入vdd。 M7、 M8構(gòu)成傳統(tǒng)的N阱電位切換電路 結(jié)構(gòu)。但他們的控制方式不一樣。M8的柵極不再有缺陷的連接到vdd，而 是連接到N阱電位切換控制模塊的輸出。當(dāng)需要N阱電位切換到較高的外 接上拉電源時(shí)，控制模塊的輸出為低電平，這樣就徹底根除了傳統(tǒng)方案中外接上拉電源電壓必須大于等于芯片工作電源電壓加一個(gè)IVTHpl的限制條件。M9的作用類同于M3，當(dāng)N阱電位切換到較高的外接上拉電源后， 通過M9把M7的柵極電壓也置為較高的外接上拉電平。否則N阱電位經(jīng) M7后會(huì)流入VDD。 M10的作用是在不需要切換到外部較高上拉電源的情 況下，由M10置M7的柵極為低電平，從而把N阱電位固定為VDD。模塊 中的R2為N阱電位切換時(shí)的防抖電阻，防止在N阱電位切換過程中 PAD—OUT電位產(chǎn)生振蕩。低電平驅(qū)動(dòng)模塊可以提供低電平輸出驅(qū)動(dòng)能力。M6為低電平輸出驅(qū) 動(dòng)器件。若芯片內(nèi)部要求輸出端輸出低電平時(shí)，M6被導(dǎo)通，使輸出強(qiáng)行 下拉到地，提供低電平輸出驅(qū)動(dòng)能力。若芯片內(nèi)部要求輸出端輸出高電平 時(shí)，M6被關(guān)閉。通過等效變換可以粗略的得到外接上拉電源(VPUIIUP)、外接上拉電阻 (Rpuiiup)、限流電阻(R2)、芯片工作電源(Vdd)、比較器回差(Vhys)五者之間具有如下的關(guān)系式:<formula>formula see original document page 10</formula>根據(jù)上面的不等式，我們可以做如下的假設(shè)VHYS=25mV， R2=16kQ。假設(shè)的這些參數(shù)可以通過電路設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定。當(dāng)Rpullup=4.7kD 。我們可以得到如下的不等式(Vpullup-VDD ) S2.34mV。此式意味著只要外接上拉電源電壓大于等于芯片的工作電源電 壓32.34mV， N阱電位就能正常地切換到外接的上拉電源。當(dāng)Rpullup=100kQ。我們可以得到如下的不等式(vpullup-vDD)2181.25mV。此式意味著即使外接上拉電阻大到100kQ，但是只要外接上 拉電源電壓大于等于芯片的工作電源電壓181.25mV，N阱電位就能正常地 切換到外接的上拉電源。由此可見，本發(fā)明N阱電位切換電路的特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見。
權(quán)利要求
1. 一種N阱電位切換電路，其特征在于它包含N阱電位切換模塊、N阱電位切換控制模塊、微電流源上拉模塊和低電平驅(qū)動(dòng)模塊，其中a)所述N阱電位切換模塊由N阱電位切換主體、防抖電阻2和兩個(gè)選通開關(guān)4和5組成；構(gòu)成N阱電位切換主體的兩個(gè)PMOS管P1和P2中，P1的源端連接電源VDD，P2的源端通過防抖電阻2連接本切換電路的輸出端，P1的漏端、襯底和P2的漏端、襯底互相連接在一起輸出N阱電位，P1的柵極分別與選通開關(guān)4的一端和選通開關(guān)5的一端相連，P2的柵極連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端；選通開關(guān)4的另一端連接到所述N阱電位，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端；選通開關(guān)5的另一端連接到地(GND)，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊的輸出端；b)所述N阱電位切換控制模塊由比較器和邏輯控制單元組成；比較器的一個(gè)輸入端連接到芯片電源VDD，另一個(gè)輸入端連接到本切換電路的輸出端，比較器的輸出連接到邏輯控制單元的輸入端；邏輯控制單元的另一個(gè)輸入端連接到本切換電路的輸入端，邏輯控制單元的輸出端與N阱電位切換模塊中P2的柵極相連；c)所述微電流源上拉模塊由鏡像電流源、電流阱I1、防抖電阻1和三個(gè)選通開關(guān)1、2和3組成；鏡像電流源的襯底連接到所述N阱電位；選通開關(guān)1的一端連接到鏡像電流源的偏置電平上，另一端連接到所述N阱電位，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊中比較器的輸出端；選通開關(guān)2的一端連接到所述鏡像電流源的輸入端，另一端通過電流阱I1接地，選通端連接到所述N阱電位切換控制模塊中比較器的輸出端；選通開關(guān)3的一端連接到所述鏡像電流源的輸出端，另一端通過防抖電阻1連接本切換電路的輸出端，選通端連接到本切換電路的輸入端；d)所述低電平驅(qū)動(dòng)模塊是能提供低電平輸出驅(qū)動(dòng)能力的器件，其輸入端和輸出端分別與本切換電路的輸入端和輸出端相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于N阱電位切換技術(shù)、可以連接大阻值上拉電阻且徹底消除N阱電位切換時(shí)PMOS閾值電壓限制的3/5V兼容輸入輸出的電路，它包含N阱電位切換模塊、N阱電位切換控制模塊、微電流源上拉模塊和低電平驅(qū)動(dòng)模塊；在推挽輸出特性下，電路內(nèi)部會(huì)提供幾十微安的弱上拉能力；在開漏輸出特性下，電路會(huì)自動(dòng)切斷內(nèi)部微安級(jí)的弱上拉電流源，防止電流從外接上拉電源倒灌入電路工作電源，具備弱上拉、強(qiáng)下拉的較廣泛適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)H03K19/0175GK101212219SQ20061014884
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者棟 黃 申請(qǐng)人:百利通電子(上海)有限公司