CN102340305B - 适用于低电源电压的正高压电平转换电路 - Google Patents

适用于低电源电压的正高压电平转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于集成电路设计技术领域的适用于低电源电压的正高压电平转换电路。本发明的连接关系如下：倍压电路与VIN输入电压连接，电压转换电路分别连接倍压电路和VOUT输出电压。本发明的有益效果为：倍压电路将低压逻辑控制信号的摆幅增大一倍，从而增强了电压转换电路中两个NMOS晶体管的驱动能力，从而减小了电压转换电路在电压转换过程中由交叉耦合结构所导致的下拉NMOS晶体管与上拉PMOS晶体管间的竞争，提高了高压转换的速度，降低了高压转换的功耗，并使所述正高压电平转换电路在低电源电压下仍然能够正常工作。

Description

适用于低电源电压的正高压电平转换电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，特别涉及适用于低电源电压的正高压电平转换电路。
背景技术
快闪存储器(Flash memory)具有非挥发的特性，掉电后数据仍然能够保持，因此广泛应用于智能手机、数码相机、平板电脑等便携式设备中。
快闪存储器的存储单元利用FN(Fowler-Nordheim)隧穿效应进行编程、擦除操作。图1是FN遂穿注入示意图。表1是SONOS型存储单元进行编程和擦除时控制栅极、漏极、源极上的典型电压值。
表1
  操作   控制栅极   漏极   源极
  编程   6.8V   -3.7V   -3.7V
  擦除   -3.7V   6.8V   6.8V
从表1可以看出，当存储器进行编程和擦出时，需要正高压参与，这就需要一个正高压电平转换电路将输入的逻辑信号数据转化为相应的正高压。
图2是一个传统的正高压电平转换电路。当IN输入电压由高电平转换为低电平时，通过INV反相器后，第二NMOS晶体管204的栅端为电源电压VDD，从而第二NMOS晶体管204导通，使得第一PMOS晶体管201也导通。因此第二PMOS晶体管203栅极电压被上拉到VPH正高压，这使得第二PMOS晶体管203关断，因此OUT输出电压为VSS地电位。
当IN输入电压由低电平翻转为高电平时，第一NMOS晶体管202导通，第二NMOS晶体管204关断，第二PMOS晶体管203栅极电压被拉低为VSS地电位，从而第二PMOS晶体管203导通，拉高OUT输出电压至VPH正高压，并通过反馈回路关断第一PMOS晶体管201，避免了在第一NMOS晶体管202和第一PMOS晶体管201之间形成从VPH正高压到VSS地电位的直流通路。可见，正高压电平转换电路的OUT输出电压实现了VPH正高压与VSS地电位之间切换，完成了IN输入电压的低压信号向输出端高压信号的转换。
然而，对于图2所示的传统正高压电平切换电路，当VDD电源电压降低时，第一NMOS晶体管202和第二NMOS晶体管204的栅极驱动电压下降，使得其导通能力将下降，而且晶体管的阈值电压并没有随着电源电压成比例下降，进一步减弱了NMOS晶体管的驱动能力，导致电平转换过程中上拉PMOS晶体管与下拉NMOS晶体管间的竞争加剧，出现较大的电平转换延迟和转换功耗。当VDD电源电压进一步下降，传统正高压电平切换电路将不能正常切换高压。而且通过增大NMOS晶体管尺寸的方法将导致切换电路的面积急剧增大，寄生电容引起的噪声增加。另外，高压切换电路的性能退化将直接影响整个快闪存储器系统的性能，增加芯片的成本和功耗。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了适用于低电源电压的正高压电平转换电路。它的连接关系如下：倍压电路的输入端与VIN输入电压连接，电压转换电路的输入端连接倍压电路的输出端，电压转换电路的输出端与VOUT输出电压连接。
所述倍压电路的连接关系如下：VIN输入电压分别连接反相器的输入端、第一电容、第四PMOS晶体管的栅极和第六NMOS晶体管的栅极，第二电容分别连接反相器的输出端、第三PMOS晶体管的栅极和第五NMOS晶体管的栅极，第七NMOS晶体管的栅极分别连接第三PMOS晶体管的漏极和第五NMOS晶体管的漏极，第八NMOS晶体管的栅极分别连接第四PMOS晶体管的漏极和第六NMOS晶体管的漏极，第三PMOS晶体管的源极和衬底均连接第一电容、第四NMOS晶体管的栅极和第三NMOS晶体管的漏极的公共节点，第四PMOS晶体管的源极和衬底均连接第二电容、第三NMOS晶体管的栅极和第四NMOS晶体管的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第五NMOS晶体管的源极和衬底、第六NMOS晶体管的源极和衬底、第三NMOS晶体管的衬底和第四NMOS晶体管的衬底，VDD电源电压分别连接第三NMOS晶体管的源极和第四NMOS晶体管的源极。
所述电压转换电路的连接关系如下：第六PMOS晶体管的栅极连接第五PMOS晶体管的漏极和第七NMOS晶体管的漏极的公共节点，VOUT输出电压连接第五PMOS晶体管的栅极、第六PMOS晶体管的漏极和第八NMOS晶体管的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第七NMOS晶体管的源极和衬底以及第八NMOS晶体管的源极和衬底，VPH正高压分别连接第五PMOS晶体管的源极和衬底以及第六PMOS晶体管的源极和衬底。
本发明具有的有益效果是：倍压电路将低压逻辑控制信号的摆幅增大一倍，从而增强了电压转换电路中两个NMOS晶体管的驱动能力，从而减小了电压转换电路在电压转换过程中由交叉耦合结构所导致的下拉NMOS晶体管与上拉PMOS晶体管间的竞争，提高了高压转换的速度，降低了高压转换的功耗，并使所述正高压电平转换电路在低电源电压下仍然能够正常工作。
附图说明
图1，是FN遂穿注入示意图；
图2，传统的正高压电平转换电路结构示意图；
图3，适用于低电源电压的正高压电平转换电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图3所示，适用于低电源电压的正高压电平转换电路的连接关系如下：倍压电路41的输入端与VIN输入电压连接，电压转换电路42的输入端连接倍压电路41的输出端，电压转换电路42的输出端与VOUT输出电压连接。
倍压电路41的连接关系如下：VIN输入电压分别连接反相器4109的输入端、第一电容4103、第四PMOS晶体管4107的栅极和第六NMOS晶体管4108的栅极，第二电容4104分别连接反相器4109的输出端、第三PMOS晶体管4105的栅极和第五NMOS晶体管4106的栅极，第七NMOS晶体管4202的栅极分别连接第三PMOS晶体管4105的漏极和第五NMOS晶体管4106的漏极，第八NMOS晶体管4204的栅极分别连接第四PMOS晶体管4107的漏极和第六NMOS晶体管4108的漏极，第三PMOS晶体管4105的源极和衬底均连接第一电容4103、第四NMOS晶体管4102的栅极和第三NMOS晶体管4101的漏极的公共节点，第四PMOS晶体管4107的源极和衬底均连接第二电容4104、第三NMOS晶体管4101的栅极和第四NMOS晶体管4102的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第五NMOS晶体管4106的源极和衬底、第六NMOS晶体管4108的源极和衬底、第三NMOS晶体管4101的衬底和第四NMOS晶体管4102的衬底，VDD电源电压分别连接第三NMOS晶体管4101的源极和第四NMOS晶体管4102的源极。
电压转换电路的连接关系如下：第六PMOS晶体管4203的栅极连接第五PMOS晶体管4201的漏极和第七NMOS晶体管4202的漏极的公共节点，VOUT输出电压连接第五PMOS晶体管4201的栅极、第六PMOS晶体管4203的漏极和第八NMOS晶体管4204的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第七NMOS晶体管4202的源极和衬底以及第八NMOS晶体管4204的源极和衬底，VPH正高压分别连接第五PMOS晶体管4201的源极和衬底以及第六PMOS晶体管4203的源极和衬底。
适用于低电源电压的正高压电平转换电路的工作原理如下：
设定VDD电源电压为1.5V，VSS地电位为0V，VPH正高压为7.5V。VIN输入电压由1.5V翻转为0V时，反相器4109的输出端电压为1.5V，由于第二电容4104的电荷保持特性，第三NMOS晶体管4101的栅极电压为2VDD(3V)，从而第三NMOS晶体管4101导通，第四NMOS晶体管4102的栅极电压为1.5V，第四NMOS晶体管4102关断。因为反相器4109的输出端分别连接第三PMOS晶体管4105和第五NMOS晶体管4106的栅极，第三PMOS晶体管4105关断，第五NMOS晶体管4106导通，第七NMOS晶体管4202的栅极电压为0V。由于VIN输入电压分别连接第四PMOS晶体管4107和第六NMOS晶体管4108的栅极，第四PMOS晶体管4107导通，第六NMOS晶体管4108关断，从而第八NMOS晶体管4204的栅极电压与第三NMOS晶体管4101的栅极电压相同，均为2VDD(3V)。
当VIN输入电压由0V翻转为1.5V时，反相器4109的输出端电压翻转为0V，由于第一电容4103的电荷保持特性，第四NMOS晶体管4102的栅极电压从1.5V变为2VDD(3V)，从而第四NMOS晶体管4102导通，第三NMOS晶体管4101的栅极电压变为1.5V，第三NMOS晶体管4101关断。由于VIN输入电压分别连接第四PMOS晶体管4107和第六NMOS晶体管4108的栅极，第四PMOS晶体管4107关断，第六NMOS晶体管4108导通，第八NMOS晶体管4204的栅极电压下拉为地电位(0V)。因为反相器4109的输出端分别连接第三PMOS晶体管4105和第五NMOS晶体管4106的栅极，第三PMOS晶体管4105导通，第五NMOS晶体管4106关断，第七NMOS晶体管4202的栅极电压与第四NMOS晶体管4102的栅极电压相同，均为2VDD(3V)。
从上面的分析可以看出，倍压电路利用了电容的电荷保持特性，当输入信号的摆幅为0V至1.5V时，输出信号的摆幅为0V至3V，从而实现了输入低压逻辑信号的电压摆幅加倍的功能。
1)当VIN输入电压由1.5V翻转为0V时，根据上述倍压电路的工作原理分析可知，第七NMOS晶体管4202的栅极电压为0V，第八NMOS晶体管4204的栅极电压为3V，第七NMOS晶体管4202关断，第八NMOS晶体管4204导通，并且第八NMOS晶体管4204栅极和源极之间的驱动电压为3V，VOUT输出电压为0V。同时由于VOUT输出电压反馈至第五PMOS晶体管4201的栅极，第五PMOS晶体管4201导通，第六PMOS晶体管4203的栅极电压翻转为VPH正高压，从而第六PMOS晶体管4203关断，保证了VOUT输出电压的可靠性。
2)当VIN输入电压由0V翻转为1.5V时，同样根据上述倍压电路的工作原理分析可知，第七NMOS晶体管4202的栅极电压为翻转为3V，第八NMOS晶体管4204的栅极电压下拉为地电位(0V)，第八NMOS晶体管4204关断，第七NMOS晶体管4202导通，并且第七NMOS晶体管4202栅极和源极之间的驱动电压为3V，从而第六PMOS晶体管4203的栅极电压翻转为地电位(0V)，这时第六PMOS晶体管4203导通，把VOUT输出电压拉高为VPH正高压。同时由于VOUT输出电压反馈至第五PMOS晶体管4201的栅极，第五PMOS晶体管4201关断，保证了VOUT输出电压的可靠性。
由上面分析可知，适用于低电源电压的正高压电平转换电路能够实现低压逻辑信号对VPH正高压的控制，通过采用倍压电路技术，使得正高压切换电路中NMOS晶体管的驱动电压提高1倍，减少了高压转换时NMOS晶体管与PMOS晶体管的竞争，从而提高了电平转换速度，减少电平转换的瞬态电流和动态功耗。本发明在低电源电压下仍然能够正常工作。
尽管结合图3对本发明进行了详细说明和解释，所应理解的是，对本发明的形式和细节进行变化而不脱离本发明的精神和范围，其均应包含在本发明的权利要求范围之中。

Claims (2)

1.适用于低电源电压的正高压电平转换电路，其特征在于，它的连接关系如下：倍压电路（41）的输入端与VIN输入电压连接，电压转换电路（42）的输入端连接倍压电路（41）的输出端，电压转换电路（42）的输出端与VOUT输出电压连接；
所述倍压电路（41）的连接关系如下：VIN输入电压分别连接反相器（4109）的输入端、第一电容（4103）、第四PMOS晶体管（4107）的栅极和第六NMOS晶体管（4108）的栅极，第二电容（4104）分别连接反相器（4109）的输出端、第三PMOS晶体管（4105）的栅极和第五NMOS晶体管（4106）的栅极，第七NMOS晶体管（4202）的栅极分别连接第三PMOS晶体管（4105）的漏极和第五NMOS晶体管（4106）的漏极，第八NMOS晶体管（4204）的栅极分别连接第四PMOS晶体管（4107）的漏极和第六NMOS晶体管（4108）的漏极，第三PMOS晶体管（4105）的源极和衬底均连接第一电容（4103）、第四NMOS晶体管（4102）的栅极和第三NMOS晶体管（4101）的漏极的公共节点，第四PMOS晶体管（4107）的源极和衬底均连接第二电容（4104）、第三NMOS晶体管（4101）的栅极和第四NMOS晶体管（4102）的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第五NMOS晶体管（4106）的源极和衬底、第六NMOS晶体管（4108）的源极和衬底、第三NMOS晶体管（4101）的衬底和第四NMOS晶体管（4102）的衬底，VDD电源电压分别连接第三NMOS晶体管（4101）的源极和第四NMOS晶体管（4102）的源极。
2.根据权利要求1所述的适用于低电源电压的正高压电平转换电路，其特征在于，所述电压转换电路的连接关系如下：第六PMOS晶体管（4203）的栅极连接第五PMOS晶体管（4201）的漏极和第七NMOS晶体管（4202）的漏极的公共节点，VOUT输出电压连接第五PMOS晶体管（4201）的栅极、第六PMOS晶体管（4203）的漏极和第八NMOS晶体管（4204）的漏极的公共节点，VSS地电位分别连接第七NMOS晶体管（4202）的源极和衬底以及第八NMOS晶体管（4204）的源极和衬底，VPH正高压分别连接第五PMOS晶体管（4201）的源极和衬底以及第六PMOS晶体管（4203）的源极和衬底。
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