-
Die
Erfindung betrifft eine Pegelschieberschaltung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Werden
logische Schaltungen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen
miteinander verbunden, dann ist es erforderlich, den logischen Pegel
eines Ausgabesignals von einer logischen Schaltung an den logischen
Pegel der das Ausgabesignal empfangenden Schaltung anzupassen. Diese Funktion
wird gewöhnlich
von einer Pegelschieberschaltung durchgeführt.
-
1 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Pegelschieberschaltung 10.
Die herkömmliche
Pegelschieberschaltung 10 umfasst einen Inverter IV1, der
mit einer Versorgungsspannung VDDL einer Eingangsseite der Schaltung
arbeitet. Zudem umfasst die Schaltung 10 vier Transistoren
M1, M2, M3 und M4, welche mit einer Versorgungsspannung VDDH einer
Ausgangsseite der Schaltung arbeiten und wie gezeigt miteinander
verschaltet sind. Die Transistoren M3 und M4 sind p-Kanal-MOS-Transistoren
(PMOS-Transistoren) und die Transistoren M1 und M2 sind n-Kanal-MOS-Transistoren
(NMOS-Transistoren).
-
Die
Transistoren M1 und M2 werden von einem Eingabesignal VIN getrieben,
dessen hoher Pegel der Spannung VDDL entspricht, und die Betriebsspannung
der Transistoren M1 und M2 entspricht der Spannung VDDH. Ist der
Pegel des Eingabesignals konvertiert, dann wird eine lange Verzögerungszeit
in das konvertierte Signal eingefügt, was einen negativen Effekt
auf die Ausgangsseite der Schaltung hat. Deshalb kann die herkömmliche
Pegelschieberschaltung nicht als Schnittstelle zwischen logischen
Schaltungen mit hoher Geschwindigkeit benutzt werden, die mit unterschiedlichen
Versorgungsspannungen arbeiten.
-
2 zeigt
ein Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen der Eingabespannung VIN
und einer Ausgabespannung VOUT der herkömmlichen Pegelschieberschaltung 10 aus 1. 2 zeigt
außerdem
den Signalverlauf einer Spannung an einem Knoten T2 der Schaltung 10.
Wie in 1 angegeben ist, wechselt ein Ausgabesignal des
Inverters IV1, das an einen Gateanschluss des Transistors M1 angelegt
ist, von einem hohen Pegel H auf einen niedrigen Pegel L, wenn die
Eingabespannung VIN vom niedrigen Pegel L auf den hohen Pegel H
wechselt. Das am Gateanschluss des Transistors M2 eingegebene Eingabesignal
wechselt ebenfalls vom niedrigen Pegel L auf den hohen Pegel H.
Ein Ausgabesignal des Transistors M1 an einem Knoten T1 wechselt
vom niedrigen Pegel L auf einen zweiten hohen Pegel H'. Ein Ausgabesignal
des Transistors M2 am Knoten T2 wechselt vom zweiten hohen Pegel
H' auf den niedrigen
Pegel L und ein Ausgabesignal des Inverters IV2, das als Ausgabespannung VOUT
ausgegeben wird, wechselt vom niedrigen Pegel L auf den zweiten
hohen Pegel H'.
-
Für das Eingabetransistorpaar
M1 und M2 ist VDDL die maximale Spannung des Paares, die vergleichsweise
niedriger ist als die Spannung VDDH. Daraus resultiert, dass der
Anfangssättigungsstrom begrenzt
ist. Dadurch wird die Zwischenspeichergeschwindigkeit begrenzt.
Ein Entladepfad verläuft durch
den Transistor M2. Daher wird der Be trieb der Schaltung verzögert.
2 zeigt
die zeitliche Verzögerung
zwischen der Eingabespannung VIN und der Ausgabespannung VOUT. Auf
Grund dieser Verzögerung
ist der Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Schaltung begrenzt. Die
nachfolgende Gleichung bestimmt den Strom durch den Transistor M2:
wobei μ
N die
Ladungsträgerbeweglichkeit,
C
OX die Gatekapazität, V
THN die
Schwellwertspannung, W die Kanalbreite und L die Kanallänge ist.
-
Für das über Kreuz
gekoppelte PMOS-Transistorpaar M3 und M4 ist die Verzögerungszeit
auf Grund dessen, dass der Knoten T2 über die Transistoren M3 und
M4 geladen wird, größer als
bei einem über
Kreuz gekoppelten CMOS-Transistorpaar. Daher sind die Lastkapazitäten der
Knoten T1 und T2 verschieden. Daraus resultiert, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten
der Signale verschieden sind, so dass das Tastverhältnis der
Signalverläufe
gestört
ist, wie aus 2 ersichtlich ist.
-
Die
Patentschrift
US 6.043.699 offenbart
u. a. eine Pegelschieberschaltung, wie sie in
3 als schematisches
Schaltbild gezeigt ist. Wie aus
3 ersichtlich
ist, sind Transistoren NT51 und NT54 in einem leitenden Zustand,
wenn ein Eingabesignal V1 an einem Anschluss Tin auf eine hohe Spannung H(Va)
gesetzt wird, die analog zur Spannung VDDL ist. Durch den leitenden
Zustand des Transistors NT54 nimmt das Potential am Gateanschluss
eines Transistors PT51 langsam zu. Außerdem nimmt das Potential
am Gateanschluss eines Transistors PT52 durch den leitenden Zustand
des Transistors NT51 ab und das Potential an seinem Drainanschluss steigt
an. Hierbei nimmt das Potential am Gateanschluss vom Transistor
PT51 weiter zu, wodurch das Potential am Ausgabeanschluss Tout abnimmt.
Dadurch, dass der Transistor NT54 gleichzeitig mit dem Transistor
NT51 arbeitet, wird ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb realisiert.
Des Weiteren ist in dieser Druckschrift eine gattungsgemäße Pegelschieberschaltung
gezeigt. Pegelschieberschaltungen ähnlich
3 sind auch
in den Patentschriften
US 5.583.454 und
US 5.896.044 offenbart.
-
Eine
weitere gattungsgemäße Pegelschieberschaltung
ist in der Offenlegungsschrift
JP 5-343979 A offenbart. Diese ist dafür ausgelegt,
an einem ersten und an einem zweiten Ausgangsanschluss ein rasch
fallendes und ein langsam ansteigendes Signal bereitzustellen. Eine
nachgeschaltete Hochgeschwindigkeits-Signalauswahlschaltung, die unter
anderem eine Zwischenspeicherschaltung, eine Inverterschaltung und
eine logische Verknüpfungsschaltung
umfasst, erzeugt daraus ein Ausgangssignal mit schneller Anstiegs-
und Abfallantwort.
-
Die
Offenlegungsschrift
JP
2003-143003 A offenbart eine Pegelschieberschaltung mit
einer als Flip-Flop konfigurierten Pegelhalteschaltung zwischen
zwei Strompfaden, die jeweils einen Lasttransistor mit einem Treibertransistor
verbinden. Dadurch soll verhindert werden, dass die Spannung auf
diesen Strompfaden auf einen unerwünschten Zwischenpegel fällt, wenn
sich die Ein-Widerstände
der Treibertransistoren erhöhen.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine neuartige vorteilhafte Pegelschieberschaltung
für einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb anzugeben.
-
Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Pegelschieberschaltung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
-
Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten
herkömmlichen
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen
in verschiedenen Zeichnungen gleiche oder jedenfalls funktionell äquivalente
Komponenten betreffen. Es zeigen:
-
1 ein
schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Pegelschieberschaltung,
-
2 ein
Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen der Pegelschieberschaltung
aus 1,
-
3 ein
schematisches Schaltbild einer weiteren herkömmlichen Pegelschieberschaltung,
-
4 ein
Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung,
-
5A bis 5D jeweils
ein detailliertes Schaltbild eines Teils der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4,
-
6A bis 6C jeweils
ein Signalablaufdiagramm zur Darstellung von Simulationsergebnissen
der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung aus 1 bei Betriebsfrequenzen
von 100 MHz, 500 MHz und 1 GHz,
-
7A bis 7C jeweils
ein Signalablaufdiagramm zur Darstellung von Simulationsergebnissen
der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung aus 4 bei
Betriebsfrequenzen von 100 MHz, 500 MHz und 1 GHz,
-
8 eine
Tabelle mit Simulationsergebnissen der herkömmlichen Pegelschieberschaltung
aus 1 und der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4 bei Betriebsfrequenzen von 10 MHz, 100 MHz,
500 MHz und 1 GHz,
-
9 ein
detaillierteres Schaltbild des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4 und
-
10 ein
detailliertes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung.
-
4 zeigt
ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung.
Wie aus 4 ersichtlich ist, werden Eingabesignale
VIN und VINB von einem Eingabepuffer 100 empfangen und
Ausgabesignale VOUT und VOUTB von einem Ausgabepuffer 300 ausgegeben.
Eine optionale Zwischenspeicherschaltung 200 ist zwischen
dem Eingabepuffer 100 und dem Ausgabepuffer 300 eingeschleift.
Die fett dargestellten Linien in 4 zeigen
die Schaltung, wenn auf die Zwischenspeicherschaltung 200 verzichtet
wird.
-
Der
Eingabepuffer 10 umfasst Transistoren M1 bis M8. Die Eingabespannung
bewegt sich im Bereich zwischen Massepotential GND und einem Spannungspegel
VDDL. Die Ausgabespannung bewegt sich im Bereich zwischen Massepotential
GND und einem Spannungspegel VDDH. Die Zwischenspeicherschaltung 200 umfasst
ein Inverterpaar 210 und 220 in einer über Kreuz
gekoppelten CMOS-Transistorpaarkonfiguration. Die Verwendung eines
CMOS-Inverterpaars erhöht
die Betriebsgeschwindigkeit der Schaltung und ermöglicht einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
Der Ausgabepuffer 300 umfasst ein Inverterpaar 300a und 300b.
Die Inverter des Ausgabepuffers 300 ermöglichen gleiche Anstiegs- und
Abfallzeiten und haben daher eine symmetrische Ausgabesignalform
zur Folge. Es sei darauf hingewiesen, dass etwas an Verzögerung vermieden
wird, wenn auf die Zwischenspeicherschaltung 200 verzichtet
wird. Diese Option wird, wie gesagt, durch die fett dargestellten
Linien in 4 angezeigt. Diese Konfiguration
minimiert die Verzögerungszeit
durch eine direkte Signalausgabe.
-
Nachfolgend
wird die Funktionsweise der Schaltung aus 4 ausführlich unter
Bezugnahme auf die 5A bis 5D beschrieben,
die eine detaillierte Darstellung von Teilen der Schaltung aus 4 während verschiedener
Verfahrensabschnitte zeigen. 5A ist
eine separate Darstellung eines rechten Teils des Eingabepuffers 100 aus 4.
Wie aus 5A ersichtlich ist, umfasst
dieser rechte Schaltungsteil die Transistoren M1, M3, M5 und M7. 5B ist
eine separate Darstellung eines linken Teils des Eingabepuffers 100 aus 4.
Wie aus 5B ersichtlich ist, umfasst
dieser linke Schaltungsteil die Transistoren M2, M4, M6 und M8.
In einem beispielhaften Anfangsbetriebszustand hat das Eingabesignal
VIN den Pegel der Spannung VDDL. Das invertierte Eingabesignal VINB
entspricht dem Massepotential GND. Eine Spannung an einem Knoten
N1 entspricht dem Spannungspegel VDDH und eine Spannung am Knoten
N2 entspricht dem Massepotential GND. Die Ausgabespan nung VOUT entspricht
dem Spannungspegel VDDH und die invertierte Ausgabespannung VOUTB
entspricht dem Massepotential GND.
-
Wechselt
der Zustand des Eingabesignals VIN vom Spannungspegel VDDL zum Massespannungspegel
GND, dann wechselt das invertierte Eingabesignal VINB vom Massepotential
GND auf den Spannungspegel VDDL. Im rechten Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 werden
der Transistor M1 sperrend, der Transistor M5 leitend, der Transistor M7
leitend und der Transistor M3 sperrend geschaltet. Die Spannung
am Knoten N2 wechselt vom Massepotential GND auf das Spannungspotential VDDL – VTHN. Im linken Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 werden
der Transistor M2 leitend, der Transistor M6 leitend, der Transistor
M8 sperrend und der Transistor M4 leitend geschaltet. Die Spannung
am Knoten N1 wechselt vom Spannungspotential VDDH auf Massepotential
GND, wobei der Entladestrom durch den Transistor M1 größer als
der Ladestrom durch die Transistoren M6 und M4 ist.
-
Die 5C und 5D zeigen
den rechten bzw. linken Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 nach
dem zuvor beschriebenen Übergang.
Im rechten Schaltungsteil wird der Transistor M3 leitend geschaltet,
wenn das Potential am Knoten N1 kleiner als die Spannungsdifferenz
VDDH – VTHP ist, wobei VTHP die
Schwellwertspannung des PMOS-Transistors M3 bezeichnet. Dadurch
steigt das Potential am Knoten N2 auf den Spannungspegel VDDH an.
Im linken Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 nehmen
der Strom durch den Transistor M4 und das Potential am Knoten N1
in Reaktion auf das ansteigende Potential am Knoten N2 schnell ab.
Die Zwischenspeicherschaltung 200 kann die Geschwindigkeit
des Übergangs
erhöhen,
so dass der Knoten N1 das Massepotential GND und der Knoten N2 den
Spannungspegel VDDH sehr schnell erreichen.
-
Ist
der Übergang
beendet, dann ist im rechten Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 der
Transistor M1 sperrend geschaltet, so dass kein stati scher Strompfad
vorhanden ist. Im linken Schaltungsteil des Eingabepuffers 100 werden
die Transistoren M4 und M8 sperrend geschaltet, so dass kein statischer
Strompfad vorhanden ist. Daraus resultiert bei dieser Schaltungskonfiguration,
dass keine statischen Ströme
vorhanden sind.
-
Die 6A bis 6C zeigen
jeweils ein Signalverlaufsdiagramm zur Darstellung von Simulationsergebnissen
der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung aus 1 bei Betriebsfrequenzen
von 100 MHz, 500 MHz bzw. 1 GHz. Die 7A bis 7C zeigen
jeweils ein Signalverlaufsdiagramm zur Darstellung von Simulationsergebnissen
der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4 bei Betriebsfrequenzen von 100 MHz, 500 MHz
bzw. 1 GHz. Die 6A bis 6C und 7A bis 7C machen
das unterschiedliche Frequenzverhalten der herkömmlichen Pegelschieberschaltung
aus 1 und der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung aus 4 deutlich. 8 zeigt
eine Tabelle mit den Simulationsergebnissen der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung aus 1 und der
erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4 bei Betriebsfrequenzen von 10 MHz, 100 MHz,
500 MHz und 1 GHz.
-
Wie
aus den 6A bis 6C ersichtlich ist,
zeigt die herkömmliche
Pegelschieberschaltung bei relativ niedrigen Frequenzen, d. h. bei
100 MHz, eine akzeptable Leistung. Wird die Frequenz jedoch erhöht, dann
nimmt das Leistungsvermögen
der Schaltung auf einen unakzeptablen Wert ab. Bei einer Frequenz
von 1 GHz erzeugt die herkömmliche Pegelschieberschaltung
beispielsweise keine nutzbare Ausgabesignalform VOUT. Die Tabelle
aus 8 zeigt das nicht akzeptable Verhalten der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung bei hohen Frequenzen. Beispielsweise beginnt
der Schwingungshub der Ausgabesignalform bei 500 MHz abzufallen. Bei
1 GHz ist der Schwingungshub der Ausgabesignalform nicht mehr nutzbar.
Das Tastverhältnis
der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung verschlechtert sich ebenfalls mit ansteigender Frequenz.
Wie aus den 7A bis 7C ersichtlich
ist, produziert die erfindungsgemäße Pegelschieberschaltung gute Ergebnisse
auch bei Anstieg der Frequenz auf 1 GHz. Wie aus 8 ersichtlich
ist, behalten der Schwingungshub und das Tastverhältnis der
Ausgabesignalform VOUT auch bei den höchsten Frequenzen akzeptable
Werte.
-
9 zeigt
ein detaillierteres Schaltbild des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
aus 4. In 9 ist der Ausgabepuffer 300 mit
den Invertern 300a und 300b genauer dargestellt.
Der Inverter 300a umfasst Transistoren M13 und M14. Der
Inverter 300b umfasst Transistoren M15 und M16. Die Zwischenspeicherschaltung 200 umfasst
die Inverter 210 und 220, von denen der Inverter 210 Transistoren
M9 und M10 und der Inverter 220 Transistoren M11 und M12
umfasst. Der Eingabepuffer 100 umfasst Teilschaltungen 100a2 und 100b2.
Die Teilschaltung 100a2 umfasst eine Transistorschaltung 110a2 mit
den Transistoren M4, M6 und M8 und eine Transistorschaltung 120a2 mit
dem Transistor M2. Die Teilschaltung 100b2 umfasst eine
Transistorschaltung 110b2 mit den Transistoren M3, M5 und
M7 und eine Transistorschaltung 120b2 mit dem Transistor
M1.
-
Zur
Beschreibung der Schaltung aus 9 wird ein
Zustandsübergang
in der Schaltung beschrieben. In einem Anfangszustand sind die Pegel der
Signale wie folgt: VIN = GND, N2 = VDDH, VOUT = GND, VINB = VDDL,
N1 = GND und VOUT = VDDH. Im Betrieb wechselt das Eingabesignal
VIN vom Massepotential GND auf den Spannungspegel VDDL und das Eingabesignal
VINB wechselt vom Spannungspegel VDDL auf Massepotential GND. Die Transistoren
M1, M3, M5, M6 und M8 werden leitend geschaltet und die Transistoren
M2, M4 und M7 werden sperrend geschaltet. Der Entladestrom durch den
Transistor M1 ist größer als
der Ladestrom durch die Transistoren M3 bis M5, so dass die Spannung am
Knoten N2 auf Massepotential abnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
schaltet der Transistor M8 schneller als der Transistor M4 und der Transistor
M8 stellt einen zusätzlichen
Ladepfad für
den Knoten N1 zur Verfügung.
Dadurch steigt bei diesem Ausführungsbeispiel
die Spannung am Knoten N1 schneller als bei der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung. Daher arbeitet diese erfindungsgemäße Pegelschieberschaltung
schneller als die herkömmliche
Pegelschieberschaltung.
-
10 zeigt
ein detailliertes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung.
Die Schaltung aus 10 unterscheidet sich von der
Schaltung aus 9 dadurch, dass die Transistoren
M7 und M8 fehlen.
-
Zur
Beschreibung der Schaltung aus 10 wird
ein Zustandsübergang
in der Schaltung beschrieben. In einem Anfangszustand entsprechen
die Pegel der Signale den Signalpegeln des Anfangszustandes aus 9:
VIN = GND, N2 = VDDH, VOUT = GND, VINB = VDDL, N1 = GND und VOUT
= VDDH. Im Betrieb wechselt das Eingabesignal VIN vom Massepotential
GND auf den Spannungspegel VDDL und das Eingabesignal VINB wechselt
vom Spannungspegel VDDL auf Massepotential GND. Die Transistoren
M1, M3, M5 und M6 werden leitend geschaltet und die Transistoren
M2 und M4 werden sperrend geschaltet. Der Entladestrom durch den Transistor
M1 ist größer als
der Ladestrom durch die Transistoren M3 bis M5, so dass die Spannung
am Knoten N2 auf Massepotential abnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Betriebsspannung des Transistors M5 der Spannungspegel VDDH,
die maximale Eingabespannung VIN entspricht aber dem Spannungspegel
VDDL, so dass der Strom durch den Transistor M5 durch die Eingabespannung
VIN begrenzt wird. Daraus resultiert, dass die Differenz des Entladestroms
und des Ladestroms des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels größer als
bei der herkömmlichen
Pegelschieberschaltung ist. Daher ist die Entladegeschwindigkeit
der erfindungsgemäßen Pegelschieberschaltung
höher als
die Entladegeschwindigkeit der herkömmlichen Pegelschieberschaltung.