CN112968692B

CN112968692B - 一种面向存算阵列的高压选择电路

Info

Publication number: CN112968692B
Application number: CN202110176014.9A
Authority: CN
Inventors: 虞致国; 王雨桐; 顾晓峰
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2021-02-06
Filing date: 2021-02-06
Publication date: 2023-08-25
Anticipated expiration: 2041-02-06
Also published as: CN112968692A

Abstract

本发明公开了一种面向存算阵列的高压选择电路，属于集成电路技术领域。所述面向存算阵列的高压选择电路包括高压选通电路以及电平转换电路，所述电平转换电路包括第一正高压转换电路、第一负高压转换电路以及GND转换电路，所述第一正高压转换电路连接所述高压选通电路，所述GND转换电路连接所述高压选通电路，所述第一负高压转换电路连接所述高压选通电路，所述电平转换电路为高压选通电路提供高压控制信号，所述高压选通电路将具有一定驱动能力的电压输出。本发明公开的高压选择电路实现了电压切换流程可控，避免了由于时序问题造成短时间内存在高压对地的通路，降低了动态功耗，提高电路可靠性，对多数存算阵列具有普适性。

Description

一种面向存算阵列的高压选择电路

技术领域

本发明公开了一种面向存算阵列的高压选择电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

目前存算一体电路致力于完成深度神经网络的运算，打破传统运算架构的“存储墙”，随着存算一体电路的研究不断深入，其应用领域也在不断拓展。为了满足大规模存算一体芯片在图像处理、目标识别等场景的应用需求，同时考虑到单芯片上数据吞吐量庞大以及芯片的功率密度和耐压等问题，存算一体阵列高压选择电路需要有高速、高密度、小面积等要求。因此，高压电路的优化与设计对于整体芯片的功能实现有着不可或缺的地位。

在已有的Flash驱动电路的设计中[一种为浮栅存储器提供正负高压的字线驱动装置及其方法CN104050999A]，表1中,该方案在已有结构上还需要在输入端口添加电平转换电路，状态切换过程非常复杂，设计多个信号的切换，另外电路面积过大，无法适用于大规模存算阵列。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向存算阵列的高压选择电路。

(二)技术方案

本发明公开了一种面向存算阵列的高压选择电路，所述高压选择电路包括高压选通电路以及电平转换电路，所述电平转换电路包括第一正高压转换电路、第一负高压转换电路以及GND转换电路，所述第一正高压转换电路连接所述高压选通电路，所述GND转换电路连接所述高压选通电路，所述第一负高压转换电路连接所述高压选通电路，所述电平转换电路为高压选通电路提供高压控制信号，所述高压选通电路将具有一定驱动能力的电压输出。

可选的，所述第一正高压转换电路响应于数字输入信号a，所述GND转换电路响应于数字输入信号b，所述第一负高压转换电路响应于数字输入信号c，所述高压选通电路响应于第一正高压转换电路的高压输出A、GND转换电路的高压输出B、第一负高压转换电路的高压输出C。

可选的，所述第一正高压转换电路包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第一反相器I1、第二反相器I2、第三反相器I3以及第四反相器I4。

可选的，所述M1的栅极、I1的输出与I2的输入连接，所述M1的源极、M2的源极与地连接，所述M1的漏极与M3的源极连接，所述M2的栅极与I2的输出连接，所述M2的漏极与M4的源极连接，所述M3的栅极以及M4的栅极与第二正高压电压源连接，所述M3的漏极以及M5的漏极与M6的栅极连接，所述M4的漏极、M6的漏极以及M5的栅极与I3的输入连接，所述M5的源极以及M6的源极与10V电压源连接，所述I3的输出与I4的输入连接，所述I4的输出为第一正高压转换电路的输出A。

可选的，所述第一负高压转换电路包括第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第五反相器I5、第六反相器I6以及第七反相器I7。

可选的，所述M11的栅极以及I5的输出与I6的输入连接，所述M11的源极与M12的源极连接，M12的栅极与I6的输入连接，M11的漏极与M9的源极连接，M12的漏极与M10的源极连接，M9的栅极、M10的栅极与第二负高压电压源连接，M9的漏极、M7的漏极与M8的源极连接，M10的漏极、M8的漏极、M7的源极连接与I7连接，I7的输出为第一负高压转换电路的输出C。

可选的，所述GND转换电路包括第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第十九MOS管M19、第二十MOS管M20、第二十一MOS管M21、第二十二MOS管M22、第八反相器I8、第九反相器I9、第十反相器I10、第十一反相器I11、第十二反相器I12、第十三反相器I13、第十四反相器I14和第十五反相器I15。

可选的，所述M17的栅极、M19的栅极、I8的输出与I9的输入连接，M17的源极、M18的源极与地连接，M17的漏极与M15的源极连接，M18的栅极、M20的栅极与I9的输出连接，M18的漏极与M4的源极连接，M15的栅极、M16的栅极与第二正高压电压源连接，M15的漏极、M13的漏极与M14的栅极连接，M16的漏极、M14的漏极、M13的栅极与I10的输入连接，M13的源极、M14的源极和M23的源极与10V电压源连接，I10的输出与I11的输入连接，I11的输出与M23的栅极连接，M19的漏极、M21的漏极与M22的栅极连接，M20的漏极、M22的漏极、M21的栅极与I12的输入连接，M21的源极、M22的源极和M24的源极与第二负高压电压源连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I13的输出与M24的栅极连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I14的输出为GND转换电路的输出B。

可选的，所述高压选通电路，包括第二十五MOS管M25、第二十六MOS管M26、第二十七MOS管M27、第二十八MOS管M28、第二十九MOS管M29、第三十MOS管M30、第三十一MOS管M31和第三十二MOS管M32。

可选的，所述第一正高压转换电路的输出A与M25的栅极连接，第一负高压转换电路的输出C与M29的栅极连接，GND转换电路的输出B与M26的栅极连接，M25的源极与正电压源连接，M26的源极、M30的源极与GND连接，M29的源极与负电压源连接，M25的漏极、M31的漏极、M31的源极、M31的衬底、M27的衬底与M27的源极连接，M26的漏极、M32的漏极、M32的源极、M32的衬底、M28的衬底与M28的源极连接，M29的漏极、M30的衬底与M30的源极连接，M31的栅极与第一正高压转换电路的输出的反向信号A非连接，M30的栅极与GND转换电路的输出的反向信号B非连接，M27的栅极、M28的栅极与第二负高压电压源连接，M25的衬底、M26的衬底与第一正高压电压源连接，M27的漏极、M28的漏极与M30的漏极连接作为高压选通电路的输出OUT。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种面向存算阵列的高压选择电路，具备以下有益效果：

该面向存算阵列的高压选择电路，通过电平转换电路产生高压控制信号，控制传输管的栅极电位，同时发挥MOS管用作去耦合和钳位的作用，实现以最少的控制信号、最简单的时序实现第一正高压、第一负高压和GND的传输与控制。与现有技术相比，所述一种面向存算阵列的高压选择电路具备以下优点：在保证电路可靠性的前提下，实现了可传输电压范围远大于单管的耐压极限；电压切换流程可控，在切换过程中避免了由于时序问题造成短时间内存在高压对地的通路，降低了动态功耗，提高电路可靠性；输出电压的驱动能力可通过高压选通电路管子的尺寸进行调整，对多数存算阵列具有普适性。

附图说明

图1为本发明的面向存算阵列的高压选择电路的结构示意图；

图2为本发明图1的高压选通电路的结构示意图；

图3为本发明图1的第一正高压转换电路结构示意图；

图4为本发明图1的第一负高压转换电路结构示意图；

图5为本发明图1的GND转换电路结构示意图；

图6为图1的仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，所述高压驱动电路包括：高压选通电路以及电平转换电路，所述电平转换电路包括：第一正高压转换电路、第一负高压转换电路以及GND转换电路，所述第一正高压转换电路连接所述高压选通电路，所述GND转换电路连接所述高压选通电路，所述第一负高压转换电路连接所述高压选通电路，所述电平转换电路为高压选通电路提供高压或低压，所述高压选通电路将具有一定驱动能力的电压输出。

本发明的工作原理为：所述电平转换电路用于将低压模拟信号(a、b、c)转换为高压控制信号(A、B、C)，所述高压选通电路用于根据高压控制信号(A、B、C)将第一正高压或第一负高压或GND输出。

电平转换电路包括：第一正高压转换电路、第一负高压转换电路和GND转换电路，所述第一正高压转换电路连接所述高压选通电路，所述GND转换电路连接所述高压选通电路，所述第一负高压转换电路连接所述高压选通电路。所述第一正高压转换电路，包括4个NMOS管、2个PMOS管和4个反相器。分别为：第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第一反相器I1、第二反相器I2、第三反相器I3、第四反相器I4；所述M1的栅极、I1的输出与I2的输入连接，M1的源极、M2的源极与地连接，M1的漏极与M3的源极连接，M2的栅极与I2的输出连接，M2的漏极与M4的源极连接，M3的栅极、M4的栅极与第二正高压电压源连接，M3的漏极、M5的漏极与M6的栅极连接，M4的漏极、M6的漏极、M5的栅极与I3的输入连接，M5的源极、M6的源极与第一正高压电压源连接，I3的输出与I4的输入连接，I4的输出为第一正高压转换电路的输出A。

第一负高压转换电路，包括4个PMOS管、2个NMOS管和3个反相器。分别为：第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第五反相器I5、第六反相器I6、第七反相器I7；所述M11的栅极、I5的输出与I6的输入连接，M11的源极与M12的源极连接，M12的栅极与I6的输入连接，M11的漏极与M9的源极连接，M12的漏极与M10的源极连接，M9的栅极、M10的栅极与第二负高压电压源连接，M9的漏极、M7的漏极与M8的源极连接，M10的漏极、M8的漏极、M7的源极连接与I7连接，I7的输出为第一负高压转换电路的输出C。

GND转换电路，包括6个NMOS管、4个PMOS管和6个反相器。分别为：第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第十九MOS管M19、第二十MOS管M20、第二十一MOS管M21、第二十二MOS管M22、第八反相器I8、第九反相器I9、第十反相器I10、第十一反相器I11、第十二反相器I12、第十三反相器I13、第十四反相器I14、第十五反相器I15；所述M17的栅极、M19的栅极、I8的输出与I9的输入连接，M17的源极、M18的源极与地连接，M17的漏极与M15的源极连接，M18的栅极、M20的栅极与I9的输出连接，M18的漏极与M4的源极连接，M15的栅极、M16的栅极与3.3V电压源连接，M15的漏极、M13的漏极与M14的栅极连接，M16的漏极、M14的漏极、M13的栅极与I10的输入连接，M13的源极、M14的源极和M23的源极与10V电压源连接，I10的输出与I11的输入连接，I11的输出与M23的栅极连接，M19的漏极、M21的漏极与M22的栅极连接，M20的漏极、M22的漏极、M21的栅极与I12的输入连接，M21的源极、M22的源极和M24的源极与第二负高压连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I13的输出与M24的栅极连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I14的输出为GND电平转换电路的输出B。

高压选通电路，包括2个NMOS管和6个PMOS管。分别为：第二十五MOS管M25、第二十六MOS管M26、第二十七MOS管M27、第二十八MOS管M28、第二十九MOS管M29、第三十MOS管M30、第三十一MOS管M31、第三十二MOS管M32；所述第一正高压转换电路的输出A与M25的栅极连接，第一负高压转换电路的输出C与M29的栅极连接，GND转换电路的输出B与M26的栅极连接，M25的源极与正电压源连接，M26的源极、M30的源极与GND连接，M29的源极与负电压源连接，M25的漏极、M31的漏极、M31的源极、M31的衬底、M27的衬底与M27的源极连接，M26的漏极、M32的漏极、M32的源极、M32的衬底、M28的衬底与M28的源极连接，M29的漏极、M30的衬底与M30的源极连接，M31的栅极与第一正高压转换电路的输出的反向信号A非连接，M30的栅极与GND转换电路的输出的反向信号B非连接，M27的栅极、M28的栅极与第二负高压电压源连接，M25的衬底、M26的衬底与第一正高压电压源连接，M27的漏极、M28的漏极与M30的漏极连接作为高压选通电路的输出OUT，M29、M30作为两个dummy用于减小时钟馈通效应。

第一正高压为10V、第二正高压为3.3V、第一负高压为-10V、第二负高压为-2V、VDD为1.2V、GND为0V。

正压工作模式：

本发明提供的高压驱动电路，其具体工作过程如下：

当a＝1.2V、b＝0V、c＝0V时，所述第一正高压转换电路，M2、M4、M5导通，M1、M3、M6关断，A＝0V；所述第一负高压转换电路，M7、M10、M12导通，M8、M9、M11关断，C＝-10V；所述GND转换电路，M14、M15、M17、M20、M21、M24导通，M13、M16、M18、M19、M22、M23关断，B＝10V；所述高压选通电路，M25、M27导通，M26、M29关断，M28利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在-2V附近，以保证M26处于安全的耐压范围内，M30利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在0V附近，以保证M29处于安全的耐压范围内，M31用作dummy接法可以有效减小在高频模式切换下由电平转换电路导致的时钟馈通效应。此时OUT输出10V；

GND工作模式：

当a＝0V、b＝1.2V、c＝0V时，所述第一正高压转换电路，M1、M3、M6导通，M2、M4、M5关断，A＝10V；所述第一负高压转换电路，M7、M10、M12导通，M8、M9、M11关断，C＝-10V；所述GND转换电路，M13、M16、M18、M19、M22、M23导通，M14、M15、M17、M20、M21、M24关断，B＝-2V；所述高压选通电路，M25、M27导通，M26、M29关断，M27利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在-2V附近，以保证M25处于安全的耐压范围内，M30利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在0V附近，以保证M29处于安全的耐压范围内，M32用作dummy接法可以有效减小在高频模式切换下由电平转换电路导致的时钟馈通效应。此时OUT输出0V；

负高压工作模式：

当a＝0V、b＝0V、c＝1.2V时，所述第一正高压转换电路，M1、M3、M6导通，M2、M4、M5关断，A＝0V；所述第一负高压转换电路，M8、M9、M11导通，M7、M10、M12关断，C＝-10V；所述GND转换电路，M14、M15、M17、M20、M21、M24导通，M13、M16、M18、M19、M22、M23关断，B＝10V；所述高压选通电路，M25、M27导通，M26、M29关断，M27利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在-2V附近，以保证M25处于安全的耐压范围内，M28利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在-2V附近，以保证M26处于安全的耐压范围内，此时OUT输出-10V；

在负高压模式下，M27、M28利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在第二负高压附近，以保证M25端口压差在最大正负压差的一半，处于安全的耐压范围内；在正高压模式或GND模式下，M30利用MOS管的钳位原理将该支路电位限制在GND附近，以保证M29端口压差在最大正负压差的一半，处于安全的耐压范围内。在模式切换过程中，a、b、c三个输入信号仅需要依次切换按位切换即可避免高压选择电路中的瞬时导通。而MOS管M31与M32通过接入电平转换电路的反响信号，可以减少在模式切换时产生的时钟馈通效应。通过改变MOS管M25、M26、M29的尺寸，可以使改高压选择电路适用于不同的负载，对多数存算阵列具有普适性。

三种工作模式的仿真波形如图6所示，a、b、c三个输入信号分别为高电平时，输出为10V、0V、-10V。

从以上所述可以看出，本发明提供的一种面向存算阵列的高压选择电路，通过电平转换电路产生高压控制信号，控制传输管的栅极电位，同时发挥MOS管用作去耦合和钳位的作用，实现以最少的控制信号、最简单的时序实现第一正高压、第一负高压和GND的传输与控制。与现有技术相比，所述一种面向存算阵列的高压选择电路具备以下优点：1.能够显著提高传输电压范围，在保证电路可靠性的前提下，实现了可传输电压范围远大于单管的耐压极限；2.电压切换流程可控，在切换过程中避免了由于时序问题造成短时间内存在高压对地的通路，降低了动态功耗；3.输出电压的驱动能力可通过高压选通电路管子的尺寸进行调整，对多数存算阵列具有普适性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种面向存算阵列的高压选择电路，其特征在于，包括高压选通电路以及电平转换电路，所述电平转换电路包括第一正高压转换电路、第一负高压转换电路以及GND转换电路，所述第一正高压转换电路连接所述高压选通电路，所述GND转换电路连接所述高压选通电路，所述第一负高压转换电路连接所述高压选通电路，所述电平转换电路为高压选通电路提供高压控制信号，所述高压选通电路将具有驱动能力的电压输出；

所述第一正高压转换电路响应于数字输入信号a，所述GND转换电路响应于数字输入信号b，所述第一负高压转换电路响应于数字输入信号c，所述高压选通电路响应于第一正高压转换电路的高压输出A、GND转换电路的高压输出B、第一负高压转换电路的高压输出C；

所述第一正高压转换电路包括第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第一反相器I1、第二反相器I2、第三反相器I3以及第四反相器I4；

所述M1的栅极、I1的输出与I2的输入连接，所述M1的源极、M2的源极与地连接，所述M1的漏极与M3的源极连接，所述M2的栅极与I2的输出连接，所述M2的漏极与M4的源极连接，所述M3的栅极以及M4的栅极与第二正高压电压源连接，所述M3的漏极以及M5的漏极与M6的栅极连接，所述M4的漏极、M6的漏极以及M5的栅极与I3的输入连接，所述M5的源极以及M6的源极与10V电压源连接，所述I3的输出与I4的输入连接，所述I4的输出为第一正高压转换电路的输出A；

所述第一负高压转换电路包括第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第五反相器I5、第六反相器I6以及第七反相器I7；

所述M11的栅极以及I5的输出与I6的输入连接，所述M11的源极与M12的源极连接，M12的栅极与I6的输入连接，M11的漏极与M9的源极连接，M12的漏极与M10的源极连接，M9的栅极、M10的栅极与第二负高压电压源连接，M9的漏极、M7的漏极与M8的源极连接，M10的漏极、M8的漏极、M7的源极连接与I7连接，I7的输出为第一负高压转换电路的输出C；

所述GND转换电路包括第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第十九MOS管M19、第二十MOS管M20、第二十一MOS管M21、第二十二MOS管M22、第八反相器I8、第九反相器I9、第十反相器I10、第十一反相器I11、第十二反相器I12、第十三反相器I13、第十四反相器I14和第十五反相器I15；

所述M17的栅极、M19的栅极、I8的输出与I9的输入连接，M17的源极、M18的源极与地连接，M17的漏极与M15的源极连接，M18的栅极、M20的栅极与I9的输出连接， M18的漏极与M4的源极连接，M15的栅极、M16的栅极与第二正高压电压源连接，M15的漏极、M13的漏极与M14的栅极连接，M16的漏极、M14的漏极、M13的栅极与I10的输入连接，M13的源极、M14的源极和M23的源极与10V电压源连接，I10的输出与I11的输入连接，I11的输出与M23的栅极连接，M19的漏极、M21的漏极与M22的栅极连接，M20的漏极、M22的漏极、M21的栅极与I12的输入连接，M21的源极、M22的源极和M24的源极与第二负高压电压源连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I12的输出与I13的输入连接，I13的输出与M24的栅极连接，M23的漏极、M24的漏极与I14的输入连接，I14的输出为GND转换电路的输出B。

2.根据权利要求1所述的一种面向存算阵列的高压选择电路，其特征在于，所述高压选通电路，包括第二十五MOS管M25、第二十六MOS管M26、第二十七MOS管M27、第二十八MOS管M28、第二十九MOS管M29、第三十MOS管M30、第三十一MOS管M31和第三十二MOS管M32。

3.根据权利要求2所述的一种面向存算阵列的高压选择电路，其特征在于，所述第一正高压转换电路的输出A与M25的栅极连接，第一负高压转换电路的输出C与M29的栅极连接，GND转换电路的输出B与M26的栅极连接，M25的源极与正电压源连接，M26的源极、M30的源极与GND连接，M29的源极与负电压源连接，M25的漏极、M31的漏极、M31的源极、M31的衬底、M27的衬底与M27的源极连接，M26的漏极、M32的漏极、M32的源极、M32的衬底、M28的衬底与M28的源极连接，M29的漏极、M30的衬底与M30的源极连接，M31的栅极与第一正高压转换电路的输出的反向信号A非连接，M30的栅极与GND转换电路的输出的反向信号B非连接，M27的栅极、M28的栅极与第二负高压电压源连接，M25的衬底、M26的衬底与第一正高压电压源连接，M27的漏极、M28的漏极与M30的漏极连接作为高压选通电路的输出OUT。