CN101951246B - 静态电压电平恢复器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的用于解决阈值损失问题的电压电平恢复器。该电压电平恢复器包括驱动晶体管电路、负载晶体管电路、偏置晶体管电路、开关晶体管电路和带反馈的输出级，没有静态电流，能够快速、低功耗的将一个有阈值损失的电压转换成没有阈值损失的电压。

Description

静态电压电平恢复器

技术领域

本发明属于集成电路工作领域，尤其涉及集成电路对于阈值损失的补偿设计，即有阈值损失模块连接正常模块的高速、低功耗电压电平恢复。

背景技术

在现在的集成电路工艺中，电压电平恢复器已经广泛运用于各种不同工作电压系统间电压电平的转换恢复。

以多路选择器(MUX，multiplexer)的阈值损失恢复为例，对于各种数字逻辑电路而言，多路选择器是一种非常重要且使用频率极高的结构。出于节省面积的考虑，MUX结构通常采用的是NMOS传输管结构。NMOS传输管结构有一个先天的问题，即在传输高电平时，输出电压达不到VDD，而只能近似达到VDD-Vth(Vth为NMOS管的阈值)，即会有一个阈值电压损失，这样就使得电路噪声容限降低，信号受到扰动时可能会比驱动反相器的翻转电压要低，导致电路错误翻转。同时，由于电路存在从VDD到地的半开通路，会带来静态功耗的问题。而在工艺节点尺寸越来越小的情况下，尤其是在90nm以下时，由于在电源电压VDD下降时，阈值电压并没有随之成比例下降，就使得阈值电压损失带来的问题更加严重，甚至会导致电路无法正常完成多路选择的功能。

在多路选择器输出级增加附加结构的方法不改变以NMOS传输管为基础的结构以减小面积和功耗方面的开销，而是在输出节点增加相应的电路来恢复输出高电平，并使输出达到全摆幅。电平恢复器就是这类结构中典型和被广泛采用的电路之一。

(1)传统电平转换器结构

传统的电平转换器(Conventional Level Converter，CLC)，代表了从压缩摆幅到全摆幅转换的一个传统途径。驱动器使用额外的低电源电压来驱动电路从0到低电源电压转换。尽管缩减了噪声容限，但是电路对噪声的鲁棒性很强，因为接收器的行为像一个差分放大器，而内部的反相器也通过再生作用衰减了一部分噪声。电平转换器结构使用一对耦合的反馈PMOS晶体管来加速“弱1”的上拉过程，在传输高电平时比较快。但是电平转换器结构需要使用额外的低电源电压使内部的反相器工作，这会使得整个系统的设计复杂度提高。

(2)电压敏感转换器结构

电压敏感转换器(Voltage-Sense Translator，VST)的原理和CLC电路类似，但是VST电路需要一个额外的电源电压来保证电路的性能以及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于电流镜结构的静态电压电平恢复器用于解决阈值损失的问题。

所述静态电压电平恢复器的结构，其特征在于包括5个部分：

1.驱动晶体管，即NMOS场效应晶体管M1，栅极接输入IN，在输入为高电平时导通，将中间节点拉低到地，其驱动管的源极接地，漏极接中间输出节点T。

2.偏置晶体管，即PMOS场效应晶体管M3，根据输入电平高低对负载晶体管进行偏置。所述偏置晶体管与负载晶体管构成电流镜结构，其栅极连接漏极，并与负载晶体管的栅极相连，源极接电源，漏极连接开关晶体管的漏极。

3.负载晶体管，即PMOS场效应晶体管M4，在输入为低时导通并上拉中间节点到高电源电压，在输入为高时能够很好的关断。所述负载晶体管的栅极连接偏置晶体管的栅极，漏极接电源，源极连接中间输出节点T。

4.开关晶体管，包括栅极接输出的起反馈作用的NMOS场效应管M2，在输入为0时关断，控制电路的静态工作电流。所述开关晶体管的栅极由末端输出接点OUT控制，源极连接到输入IN，漏极连接偏置管的漏极。

5.带反馈的输出级，由一个反相器和PMOS场效应晶体管M5组成，反相器的输入端接中间输出节点T，而输出接末端输出节点OUT。其中晶体管M5的源极接电源、栅极接反相器输出、漏极接反相器的输入。

输出OUT对开关晶体管M2的关断导通进行反馈控制，其主要作用一是在输入为低电平时关断M2，降低静态漏电；二是在输入上升沿时，因为反馈作用的延迟，使得M2暂时关断，降低驱动管支路的上拉电流，加速整个电路的翻转速度。

驱动晶体管电路还可以采用在驱动晶体管M1的漏极与中间输出节点T之间再串联一个零阈值管M7，以减少漏电。零阈值管的栅极与M1的栅极相连接，漏极连接中间输出节点T而源极接M1的漏极。

带反馈的输出级还可以在反馈管M5的源极和电源间串接一个PMOS管M6，M6的栅极连接一个较低的电源电压VDDL，源极接电源VDD而漏极接M5源极。M6的作用在于减弱反馈电路(M5、M6)的上拉能力，减小电路对输入上升沿恢复时的延时。

本发明与以往的结构相比，使用管子数目较少，且拥有更快的速度，没有静态电流，能够更好的应用于90nm以下较低电源电压工艺的应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为静态电平恢复器结构图；

图2为静态电平恢复器功能仿真结果；

图3为改进型静态电平恢复器结构图。

具体实施方式

在图1中，VDD代表电源电压，GND代表接地，输入信号IN为有一个阈值损失的翻转电平。本实施例中，工艺节点为90nm，VDD取1.2V，而输入信号IN的高电平为VDD-Vth，大约为0.7V，低电平为0。该电平恢复器能够快速地将输入有阈值损失的信号恢复成输出全摆幅的信号，即最高电平达到VDD，最低电平为0，具体工作原理分析如下：

1.输入从0到“1”(“1”为有阈值损失的高电平，下同)：

初始状态，输入为0，中间节点T电平为1(1为无阈值损失的高电平，下同)，输出节点OUT电压为0，开关管M2关断，导致此时M2、M3支路没有静态电流。

输入从0变成“1”的过程中，驱动管M1导通，将中间节点T的电压拉低。同时由于初始M2关断，所以实际M3几乎不提供上拉电流，使得T能够较快的拉低到0，而经过带反馈的输出级之后，OUT也能够很快上拉到1。

2.输入从“1”到0：

初始状态，输入为“1”，中间节点T电平为0，输出节点OUT电压为1，开关管M2导通，但是因为“1”与1只相差一个阈值电压，所以M2与M3仍然是截止的，没有静态工作电流。

输入从“1”变成0时，驱动管M1逐渐关断而M2和M3导通，将中间节点T拉高，而输出OUT逐渐被拉低，此时由于开关管M2逐渐关断，M3和M4上拉能力越来越弱，因此如果没有输出级的反馈电路，T和OUT的电压不能达到1和0。输出级的反馈将T和OUT节点的电压分别拉到1和0。如图2所示为本结构的仿真结果，曲线V(in)为输入信号，曲线V(out)为输出信号，曲线V(T)为中间节点T的信号波形。结果显示输出信号能够正确的恢复到VDD，延时在lns以内。

改进型的静态电平恢复器如图3所示，在驱动晶体管M1的漏极与中间输出节点T之间再串联一个零阈值管M7，以减少漏电。零阈值管的栅极与M1的栅极相连接，漏极连接中间输出节点T而源极接M1的漏极。在反馈管M5的源极和电源间串接一个PMOS管M6，其栅极连接一个较低的电源电压VDDL，源极接电源VDD而漏极接M5源极。M6的作用在于减弱反馈电路(M5、M6)的上拉能力，减小电路对输入上升沿恢复时的延时。改进的电路有效提高了静态电平恢复器的性能。

Claims (2)

1.一种静态电压电平恢复器，其特征在于，包括：

-第一NMOS管M1，其栅极连接第二NMOS管M2的源极后共同接信号输入IN，第一NMOS管M1的源极接地，第一NMOS管M1的漏极和第二PMOS管M4的源极、反相器的输入端、第三PMOS管M5的漏极共同连接接中间输出节点T；

-第二NMOS管M2，其栅极接输出OUT，漏极接第一PMOS管M3的漏极；

-第一PMOS管M3，与第二PMOS管M4构成电流镜结构，其栅极连接漏极，并与第二PMOS管M4的栅极相连，源极接电源；

-第二PMOS管M4，其漏极接电源；

-带反馈的输出级，包括反相器和第三PMOS管M5，所述反相器的输出端为输出OUT，所述第三PMOS管M5的源极接电源，栅极接输出OUT；

在所述第一NMOS管M1的漏极与所述中间输出节点T之间串联一个零阈值管M7，该零阈值管的栅极与第一NMOS管M1的栅极相连，漏极与所述中间输出节点T相连，源极接第一NMOS管M1的漏极。

2.如权利要求1所述的电压电平恢复器，其特征在于，在第三PMOS管M5的源极和电源间可再串接一个第四PMOS管M6，其栅极连接一个较所述电源电压低的电压，源极接电源，漏极接第三PMOS管M5的源极。

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