專(zhuān)利名稱(chēng)：一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及邏輯電平轉(zhuǎn)換電路，尤其是一種可以工作在亞閾值區(qū)域的邏輯電 平轉(zhuǎn)換器，它可以有效的將低電壓域VddL = 200mV輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電壓域VddH = 400mV的 輸出信號(hào)，為一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，在新一代的集成電路設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)， 設(shè)計(jì)者常常使用多路電壓(MSV)方法允許使用不同Vdd的設(shè)計(jì)分實(shí)體或塊，而隨之引入的低 電壓邏輯，使得系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，因此應(yīng)插入一個(gè)電平轉(zhuǎn) 換器(logic level translator)將信號(hào)從低電壓域V‘轉(zhuǎn)換到高電壓域VddH，以確保正確 的信號(hào)轉(zhuǎn)移。例如，當(dāng)1. 8V的數(shù)字電路與工作在3. 3V的模擬電路進(jìn)行通信時(shí)，需要首先解 決兩種電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，這時(shí)就需要電平轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電源電壓下降到亞閾值區(qū)域后，這種需 求更加迫切，本實(shí)用新型針對(duì)亞閾值的邏輯電平轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)了一種低靜態(tài)功耗電容型邏輯電 平轉(zhuǎn)換電路，對(duì)亞閾值電路的設(shè)計(jì)具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的問(wèn)題是現(xiàn)有集成電路的多路電壓方法，引入了低電壓邏輯， 使得系統(tǒng)內(nèi)部常常出現(xiàn)輸入/輸出邏輯不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，需要提供一種可以工作在亞閾值區(qū) 域的低靜態(tài)功耗邏輯電平轉(zhuǎn)換器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換 器，將低電壓域電平V‘轉(zhuǎn)換到高電壓域電平VddH，設(shè)有一個(gè)NMOS管麗1，一個(gè)電容CL，兩個(gè) PMOS管MPl和MP2以及一個(gè)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后，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設(shè)置在PMOS管MPl柵極、 漏極和體端的連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)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管麗1的漏極連接后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(xiàn) 接GND，反相器的輸出端為轉(zhuǎn)換器的輸出端Vout。進(jìn)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 起后，連接NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起后與轉(zhuǎn)換器的輸入端 Vin相連，即NMOS管麗2做電容型連接，且連接后的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接 GND。本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，針對(duì)亞閾值電路的實(shí)際特點(diǎn)，提供一種可以工 作在亞閾值區(qū)域的低靜態(tài)功耗邏輯電平轉(zhuǎn)換器，該邏輯電平轉(zhuǎn)換器可以有效的工作在亞閾 值區(qū)域，達(dá)到性能最優(yōu)，使得亞閾值設(shè)計(jì)中各個(gè)設(shè)計(jì)分實(shí)體或塊使用不同的Vdd成為可能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及顯著效果(1)本實(shí)用新型可以有效的工作在亞閾值區(qū)域，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證本實(shí)用新型的電容型電平轉(zhuǎn)換器可以有效的將= 200mV輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成VddH = 400mV的輸出信號(hào)，即表明本實(shí) 用新型的電路可以有效的實(shí)現(xiàn)亞閾值邏輯電平的轉(zhuǎn)換。( 本實(shí)用新型的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器具有較低的靜態(tài)功耗。在2007年， Hwang Myeong-Eun, A. Raychowdhury, Kim Keejong 等人已經(jīng)在 VLSI Circuits 的一篇文 獻(xiàn)中提出一種模擬方法，該方法使用了差分放大器轉(zhuǎn)換(GND，VdJ幅度成(GND，VddH)幅度， 遺憾的是，該方法需要一個(gè)靜態(tài)偏置電流，需要引進(jìn)大量的靜態(tài)能耗開(kāi)銷(xiāo)。本實(shí)用新型由 于采用電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換，有效的避免了這些靜態(tài)功耗，所以相對(duì)Hwang Myeong-Eun, A. Raychowdhury, Kim Keejong等人的設(shè)計(jì)本實(shí)用新型的電路具有更低的靜態(tài)功耗。

圖1是本實(shí)用新型的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實(shí)用新型的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器工作在亞閾值區(qū)域的波形圖V‘ = 200mV 且 VddH = 400mV。
具體實(shí)施方式
參看圖1，本實(shí)用新型的低靜態(tài)功耗電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器，可以工作在亞閾值區(qū) 域，將低電壓域電平V‘轉(zhuǎn)換到高電壓域電平VddH，設(shè)有一個(gè)NMOS管麗1，一個(gè)電容CL，兩個(gè) PMOS管MPl和MP2以及一個(gè)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后，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設(shè)置在PMOS管MPl柵極、 漏極和體端的連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)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的漏極連接后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(xiàn) 接GND，反相器的輸出端為轉(zhuǎn)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后， 連接NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起后與轉(zhuǎn)換器的輸入端Vin相 連，即NMOS管麗2做電容型連接，且連接后的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接GND。在本實(shí)用新型實(shí)際的操作過(guò)程中，先對(duì)升壓電容CL進(jìn)行充電，將CL的電位抬升， 當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，例如從低邏輯電壓模塊的邏輯低電平跳變?yōu)檫壿嫺唠娖?，此時(shí)由 于CL的電壓不能突變，因此輸出電位將遠(yuǎn)高于低邏輯電壓模塊的邏輯高電平，從而達(dá)到邏 輯電平轉(zhuǎn)換的目的。本實(shí)用新型的邏輯電平轉(zhuǎn)換電路的工作原理如下假定輸入端Vin = " 0〃，二極管連接晶體管MPl開(kāi)啟，升壓電容器CL電位被充電 至Vi ；此時(shí)MPl、MP2和CL相連接的節(jié)點(diǎn)X是連接到MPl的體端，形成正向偏置的體源PN 結(jié)，MPl的閾值電壓值降低以減小CL的充電電位。當(dāng)Vin上升至V-，MPl關(guān)閉，使節(jié)點(diǎn)X隨 著遠(yuǎn)高于V‘(近2VdJ的上升電位而浮動(dòng)，該高電位關(guān)閉MP2，因此最終輸出達(dá)到預(yù)期的 V·。在本實(shí)用新型中CL作為升壓電容使用，其電容值僅為1 2fF，可以采用兩種不同的 具體實(shí)現(xiàn)方式，一種是使用金屬層之間的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外一種是使用NMOS管MN2晶體管 寄生的柵源電容Ces和柵漏電容CeD來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖1。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本實(shí)用新型的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器在亞閾值區(qū)域的有效性，下面對(duì)本實(shí)用新型的電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖2是電容型電平轉(zhuǎn)換器在V- = 200mV且Vdda = 400mV時(shí)的波形，圖中所示的波形可以充分證明本實(shí)用新型電容型電平轉(zhuǎn)換器可以有效的 將VddL = 200mV輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成Vdda = 400mV的輸出信號(hào)，即本實(shí)用新型的電容型邏輯電平 轉(zhuǎn)換器可以有效的工作在亞閾值區(qū)域。
權(quán)利要求1.一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器，將低電壓域電平V‘轉(zhuǎn)換到 高電壓域電平VddH，其特征在于設(shè)有一個(gè)NMOS管MNl，一個(gè)電容CL，兩個(gè)PMOS管MPl和MP2 以及一個(gè)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 在一起后，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設(shè)置在PMOS管MPl柵極、漏極和體端的連接 點(diǎn)與轉(zhuǎn)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的漏極連接后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(xiàn)接GND，反相器 的輸出端為轉(zhuǎn)換器的輸出端Vout。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器，其特 征在于用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后，連接 NMOS管MN2的柵極，NMOS管MN2的源極與漏極連接在一起后與轉(zhuǎn)換器的輸入端Vin相連， 即NMOS管麗2做電容型連接，且連接后的等效電容為CL，NMOS管麗2的體端接GND。
專(zhuān)利摘要一種亞閾值區(qū)域低靜態(tài)功耗的電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換器，將低電壓域電平VddL轉(zhuǎn)換到高電壓域電平VddH，設(shè)有一個(gè)NMOS管MN1，一個(gè)電容CL，兩個(gè)PMOS管MP1和MP2以及一個(gè)反相器，其中PMOS管MP1的源極與低電壓域電平VddL連接，柵極、漏極和體端連接在一起后，與PMOS管MP2的柵極相連；電容CL設(shè)置在PMOS管MP1柵極、漏極和體端的連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)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MN1的漏極連接后作為反相器的輸入與反相器相連，NMOS管MN1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(xiàn)接GND，反相器的輸出端為轉(zhuǎn)換器的輸出端Vout。采用電容型邏輯電平轉(zhuǎn)換，可有效的工作在亞閾值區(qū)域。
文檔編號(hào)H03K19/0175GK201918978SQ201020699089
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者余群齡, 時(shí)龍興, 柏娜, 蔡志匡, 黃凱 申請(qǐng)人:東南大學(xué)