CN209471391U - 一种对电源电压不敏感的使能电路 - Google Patents

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程剑涛
罗旭程
杜黎明
孙洪军
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Abstract

本实用新型提供一种对电源电压不敏感的使能电路，其特征在于，包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块；所述的第一级电压变换模块采用CMOS电路；所述第二级电压变换模块包括桥式电路及连接桥式电路的输出端的反相器INV；使能输入信号EN的输入端分两路，第一路连接CMOS电路的输入端，第二路连接桥式电路的一个输入端；且第一级电压变换模块的输出端连接第二级电压变换模块的另一个输入端；所述第一级电压变换模块将其接收的使能输入信号变换为另一种电压后，向第二级电压变换模块输出电压信号ENB；第二级电压变换模块将其接收的使能输入信号和电压信号ENB进行第二次电压变换后，再经过反相器INV后输出信号VOUT。

Description

一种对电源电压不敏感的使能电路
技术领域
本实用新型涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种对电源电压不敏感的使能电路。
背景技术
模拟芯片一般具备一个使能输入端，以控制整个芯片的工作和关闭。使能电路提供检测外部使能电压，并能够判断该电压是否达到一定的电压值，进而产生是否打开芯片的信号。转折电平是指输入使能电压大于一定数值电压时，电路输出有效的使能信号，电路开始产生有效使能电平对应的输入电压定义为转折电平。为了确保芯片能够稳定可靠地被控制，且具备一定的抗干扰能力，往往对使能电路提出了较高的要求。一方面转折电平在不同的电源电压下能够稳定在一个较小的区间，不会出现较大偏差。另一方面具有一定的迟滞能力进而有一定抗干扰能力。
专利：CN201010548047.3列举了传统的使能电路系统如图1所示，该传统使能产生电路的转折电平随着电源电压VDD的变化有较大变化。同时该专利还给出了一种新的设计方案，如图2所示，该方案使用了一个耗尽型NMOS产生一个恒定的电流，该电流能够在不同的电源电压VDD下保持几乎恒定，从而使得使能转折点保持在较小的变化区间内。但是这种设计方案依赖于其采用的耗尽型NMOS，一方面有些工艺中不提供耗尽型NMOS，有些工艺提供耗尽型NMOS但是需要增加额外光罩，这无疑会带来一定的限制以及可能会增加芯片的成本。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种对电源电压不敏感的使能电路，本实用新型采用工艺库提供的通用器件即可完成相同功能的电路，该电路一方面能够在不同电源电压VDD变化时保持转折电平变化小，另一方面相对于现有技术，本设计更通用，不会依赖于工艺是否具有耗尽型器件，同时在同等条件下不会增加额外光罩，节约了成本。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种对电源电压不敏感的使能电路，其特征在于，包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块；所述的第一级电压变换模块采用CMOS电路；所述第二级电压变换模块包括桥式电路及连接桥式电路的输出端的反相器INV；使能输入信号EN的输入端分两路，第一路连接CMOS电路的输入端，第二路连接桥式电路的一个输入端；且第一级电压变换模块的输出端连接第二级电压变换模块的另一个输入端；所述第一级电压变换模块将其接收的使能输入信号变换为另一种电压后，向第二级电压变换模块输出电压信号ENB；第二级电压变换模块将其接收的使能输入信号和电压信号ENB进行第二次电压变换后，再经过反相器INV后输出信号VOUT。
进一步地，所述第一级电压变换模块包括增强型NMOS管N0、增强型PMOS管P0、电阻R0；所述第二级电压变换模块包括增强型NMOS管N1、N2；增强型PMOS管P1、P2；电阻R1、R2和反相器INV；所述第一级电压变换模块中N0的栅极、P0的栅极、第二级电压变换模块中N2的栅极并联后连接使能输入信号EN的输入端；所述第一级电压变换模块中P0的源极连接R0的一端，所述R0的另一端并联外部电压VDD的输入端、第二级电压变换模块中R1的一端及R2的一端；所述第一级电压变换模块中P0的漏极、N0的漏极并联后其输出端输出电压信号ENB并连接第二级电压变换模块中的N1的栅极；所述第二级电压变换模块中P1的源极连接R1的另一端、P2的源极连接R2的另一端；P1的漏极与P2的栅极并联后连接N1的漏极；P2的漏极、INV的输入端并联后再与P1的栅极并联后连接N2的漏极；其中，P2的漏极、INV的输入端的并联处形成第二级中间输出节点；N1的源极、N2的源极与第一级电压变换模块中的NO的源极并联后接地。
技术效果：
本实用新型采用工艺库提供的通用器件即可完成相同功能的电路，该电路一方面能够在不同电源电压VDD变化时保持转折电平变化小，另一方面相对于现有技术，本设计更通用，不会依赖于工艺是否具有耗尽型器件，同时在同等条件下不会增加额外光罩，节约了成本。
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术的一种使能控制电路
图2是现有技术的另一种使能控制电路
图3是本实用新型的对电源电压不敏感的使能电路系统框图
图4是本实用新型的对电源电压不敏感的使能电路系统具体示意图
图5是本实用新型的第一级电压变换模块计算示意图
图6是本实用新型的第二级电压变换模块计算示意图
图7是本实用新型模拟VDD分别为3V、4V、5V条件下VOUT的EN电压状况
具体实施方式
在本实用新型的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
以下将详细说明本实用新型的内容。
图3给出了本实用新型的系统框图，本实用新型由两个模块组成，分别是第一级电压变换模块和第二级电压变换模块。第一级电压变换模块采用CMOS电路；第二级电压变换模块包括桥式电路及连接桥式电路的输出端的反相器INV；使能输入信号EN的输入端分两路，第一路连接CMOS电路的输入端，第二路连接桥式电路的一个输入端；且第一级电压变换模块的输出端连接第二级电压变换模块的另一个输入端；在本实用新型中第一级电压变换模块将其接收的使能输入信号变换为另一种电压后，向第二级电压变换模块输出电压信号ENB；第二级电压变换模块将其接收的使能输入信号和电压信号ENB进行第二次电压变换后，再经过反相器INV后输出信号VOUT。
图4给出了本实用新型的具体示意图，其中第一级电压变换模块包括增强型NMOS管N0、增强型PMOS管P0、电阻R0；第二级电压变换模块包括增强型NMOS管N1、N2、增强型PMOS管P1、P2、电阻R1、R2和反相器INV；具体的，第一级电压变换模块中N0的栅极、P0的栅极、第二级电压变换模块中N2的栅极并联后连接使能输入信号EN的输入端；第一级电压变换模块中P0的源极连接R0的一端，R0的另一端并联外部电压VDD的输入端、第二级电压变换模块中R1的一端及R2的一端；第一级电压变换模块中P0的漏极、N0的漏极并联后其输出端输出电压信号ENB并连接第二级电压变换模块中的N1的栅极；第二级电压变换模块中P1的源极连接R1的另一端、P2的源极连接R2的另一端；P1的漏极与P2的栅极并联后连接N1的漏极；P2的漏极、INV的输入端并联后再与P1的栅极并联后连接N2的漏极；其中，P2的漏极、INV的输入端的并联处形成第二级中间输出节点；N1的源极、N2的源极与第一级电压变换模块中的NO的源极并联后接地。
为了更详细地说明本实用新型的工作原理，先将理论计算过程列举如下，为了方便计算，在计算过程中会做一定的近似和简化。
参考图5，首先进行第一级电压变换模块的计算：NMOS的N0的宽长分记为(W/L)N0，PMOS的宽长比记为(W/L)P0，NMOS阈值为Vtn，PMOS阈值绝对值大小为Vtp，图中EN电压记为VEN，ENB电压记为VENB，A点电压记为VA。
初始状态EN电压为0，A点电压为VDD。随着EN电压由0变化到VDD后，A点电压先变低，后变高到VDD，ENB由VDD变为0。
假设EN电压在Vtn以下时，N0不导通。
当EN电压大于Vtn且VENB高于VEN-Vtn时，N0处于饱和状态，则通过N0漏极的电流(也就是通过R0的电流为I0)随着EN电压不断变高，如公式1所示，且VENB高于VEN-Vtn时，A点电压不断降低，ENB电压也不断降低。
其中un为沟道电子迁移率，Cox是单位面积的栅氧化层电容。
当ENB电压小于VEN-Vtn时，N0将工作在线性区。为了近似计算，假设随着EN继续升高，ENB电压近似为0。事实上ENB电压直到EN满足VDD-VEN<Vtp后，P0关闭，R0中没有电流时，才达到0V，在N0工作在线性区时ENB电压将变得较小。
图6给出了第二级电压变换模块计算的示意图，为了方便计算，假设N1和N2大小相同，P1和P2大小相同，R1和R2大小也相同。
需要注意的是，此时第一级电压变换电路将EN变换成一个和其电压相反的电压ENB并输出到第二级电压变换模块。
以下是EN从0变化到VDD过程的计算：
假设初始状态ENB电压为0，B点电压为0，VOB电压为VDD，一开始P2工作在线性区域，其导通电阻远比R2小，且EN从0到VDD逐渐变大，高于NMOS阈值后，N2流过的电流为：
此时VOB电压记为VVOB：
当VDD-VVOB>Vtp后，P1导通，则将B点电压上拉，进而P2逐渐关闭，同等N2产生的电流下VOB的电压将更低，如此形成正反馈，即VOB电压降低引起P1开启，P1开启后引起B点电压升高，B点电压升高后引起P2逐渐关闭，P2关闭加速VOB电压下降。
VOB电压下降后，直到INV翻转条件，则VOUT变高。如此，则使能高有效。
以下给出EN从VDD变化到0过程计算：
和上述过程类似，假设初始状态EN为0，B点电压为VDD，VOB电压为0，则ENB从0逐渐变高过程中，和上述公式2和公式3类似。即ENB变高引起B点电压变低，B点电压变低引起P2开启，P2开启引起VOB电压变高，VOB电压变高引起P1逐渐关闭，加速B点电压变低。
由公式3推导，VDD-VVOB>Vtp后，P1导通，也就是：
由公式4可见，P1导通电压和电源电压VDD无关。
EN从0到VDD过程，VOUT变高时候EN电压记为VTH，也就是VOUT变高的阈值。根据公式4计算出：
EN从VDD变化到0过程，VOUT由VDD变低的阈值记为VTL：此时ENB电压就是VTH，需要从VTH换算到EN此时的电压VTL。结合公式1和公式5，可以得出如下公式：
VDD-I0*R0＝VTH----公式6
由公式7可知，当VDD在一定范围内变化时，可以通过调节R0的值，进而调节VTL。
上述公式列出了VTH和VTL的电压的相关关系，从公式6可以看出VTH和电源电压无关，从而使得VTH对VDD不敏感,而从公式7中可以看出VTL可以根据R0进行调节。
为了说明本实用新型的效果，本实用新型采用不同的VDD进行仿真，评估EN从0到VDD过程下VOUT由0变高的转折点时EN电压变化情况,以及EN由VDD变0过程中VOUT由VDD变低转折点EN电压情况。具体如图7所示，其中实线是VOUT在VDD为3V条件下输出随输入变化曲线，短横线是VOUT在VDD为4V条件下输出随输入变化曲线，长横线是VOUT在VDD为5V条件下输出随输入变化曲线，从图中可以看出，在不同的VDD条件下，VOUT翻转时候EN电压大约在1V左右，且变化较小，也即是说本实用新型提供的使能电路在不同的电源电压下使能电压不敏感。
综上，本实用新型采用工艺库提供的通用器件即可完成相同功能的电路，该电路一方面能够在不同电源电压VDD变化时保持转折电平变化小，另一方面相对于现有技术，本设计更通用，不会依赖于工艺是否具有耗尽型器件，同时在同等条件下不会增加额外光罩，节约了成本。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种对电源电压不敏感的使能电路，其特征在于，
包括第一级电压变换模块、第二级电压变换模块；
所述的第一级电压变换模块采用CMOS电路；
所述第二级电压变换模块包括桥式电路及连接桥式电路的输出端的反相器INV；
使能输入信号EN的输入端分两路，第一路连接CMOS电路的输入端，第二路连接桥式电路的一个输入端；且第一级电压变换模块的输出端连接第二级电压变换模块的另一个输入端；
所述第一级电压变换模块将其接收的使能输入信号变换为另一种电压后，向第二级电压变换模块输出电压信号ENB；第二级电压变换模块将其接收的使能输入信号和电压信号ENB进行第二次电压变换后，再经过反相器INV后输出信号VOUT。
2.如权利要求1所述一种对电源电压不敏感的使能电路，其特征在于，
所述第一级电压变换模块包括增强型NMOS管N0、增强型PMOS管P0、电阻R0；
所述第二级电压变换模块包括增强型NMOS管N1、N2；增强型PMOS管P1、P2；电阻R1、R2和反相器INV；
所述第一级电压变换模块中N0的栅极、P0的栅极、第二级电压变换模块中N2的栅极并联后连接使能输入信号EN的输入端；
所述第一级电压变换模块中P0的源极连接R0的一端，所述R0的另一端并联外部电压VDD的输入端、第二级电压变换模块中R1的一端及R2的一端；所述第一级电压变换模块中P0的漏极、N0的漏极并联后其输出端输出电压信号ENB并连接第二级电压变换模块中的N1的栅极；
所述第二级电压变换模块中P1的源极连接R1的另一端、P2的源极连接R2的另一端；P1的漏极与P2的栅极并联后连接N1的漏极；P2的漏极、INV的输入端并联后再与P1的栅极并联后连接N2的漏极；其中，P2的漏极、INV的输入端的并联处形成第二级中间输出节点；N1的源极、N2的源极与第一级电压变换模块中的NO的源极并联后接地。
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