KR100273206B1

KR100273206B1 - 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터

Info

Publication number: KR100273206B1
Application number: KR1019970000565A
Authority: KR
Inventors: 권오경
Original assignee: 김영환; 현대반도체주식회사
Priority date: 1997-01-11
Filing date: 1997-01-11
Publication date: 2000-12-15
Also published as: GB2321145B; DE19800578A1; KR19980065534A; DE19800578C2; US6043679A; GB2321145A; TW359028B; JPH10209852A; GB9800395D0; JP3089552B2

Abstract

본 발명은 레벨쉬프터에 관한 것으로서, 특히 문턱전압의 변화에 둔감하고, 엔모스트랜지스터의 문턱전압이 4V인 경우에도 추가의 보조전원이나 반전신호의 공급없이, 0V와 5V의 입력신호를 -1OV와 10V의 출력신호로 만들 수 있는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 OV와 5V의 입력에 대하여 문턱전압변화에 관계없이 엔모스트랜지스터와 피모스트랜지스터의 구동신호를 발생하는 2레벨 출력인버터(10)와, 그 2레벨 출력인버터(10)의 구동신호에 따라 각각 피모스트랜지스터와 엔모스트랜지스터를 구동하여, 거의 -1OV와 10V에 이르는 신호를 출력하는 2레벨입력인버터(2O)와, 그 2레벨 입력인버터(20)에서 출력된 신호를 -1OV와 10V의 신호로 출력하는 인버터(30)로 구성된다.

Description

문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터

제1도는 종래 일반적인 레벨쉬프터의 구성도.

제2도는 본 발명에 의한 레벨쉬프터의 구성도.

제3도는 제2도에 있어서 2 레벨 출력 인버터의 구성도.

제4도는 제3도에 있어서 각 부의 파형도.

제5도는 제2도에 있어서 2레벨 입력 인버터의 구성도.

제6도는 제5도에 있어서 문턱전압의 절대값이 7V이상인 경우 각 부의 파형도.

제7도는 제2도의 전체 파형도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 2 레벨 출력 인버터 20 : 2레벨 입력 인버터

30,40 : 인버터 P1,P2,P3,P4,P5 : 피모스트랜지스터

N1,N2,N3,N4,N5 : 엔모트랜지스터 TG : 전송게이트

본 발명은 레벨쉬프터에 관한 것으로, 특히 엔모트랜지스터의 문턱전압변화에 둔감하고, 엔모스트랜지스터의 문턱전압이 4V이상인 경우에도 추가의 보조전원이나 반전신호의 공급없이, 0V와 5V의 입력신호를 -1OV와 10V의 출력신호로 만들 수 있는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터에 관한 것이다.

종래 일반적인 레벨쉬프터는 도1에 도시된 바와같이, 전원전압(VDD)과 접지전압(VSS)사이에 직렬 연결된 피모스트랜지스터(1) 및 엔모스트랜지스터(2)와, 그 피모스트랜지스터(1) 및 엔모스트랜지스터(2)와 래치형태로 연결되고, 전원전압(VDD)과 접지전압(VSS)사이에 직렬 연결된 피모스트랜지스터(3) 및 엔모스트랜지스터(4)로 구성된다.

이때, 상기 피모스트랜지스터(1)의 게이트는 출력단자에 연결되고, 피모스트랜지스터(3)의 게이트는 상기 엔모스트랜지스터(2)의 드레인과 연결된다. 그리고, 엔모스트랜지스터(2)이 게이트에는 입력신호(Vin)가 인가되고, 엔모스트랜지스터(4)의 게이트에는 인버터(IN)에서 반전된 입력신호(Vin)가 인가된다. 이와같이 구성된 종래 레벨쉬프터의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 5V의 신호(Vin)가 입력되면, 엔모스트랜지스터(2)와 피모스트랜지스터(3)는 턴온, 피모스트랜지스터(1)와 엔모스트랜지스터(4)는 턴오프되어, 출력단자를 통하여 하이레벨의 신호(Vout)가 출력된다.

반면에, OV의 신호(Vin)가 입력되면, 엔모스트랜지스터(4)와 피모스트랜지스터(1)는 턴온, 엔모스트랜지스터(2)와 피모스트랜지스터(3)는 턴오프되어, 출력단자를 통하여 로우레벨의 신호(Vout)가 출력된다.

그러나, 상기 종래의 레벨쉬프터는 몇가지 문제점을 가지고 있다. 우선, 상기와 같은 형태의 레벨쉬프터는 0V와 5V의 신호를 입력받아서 -10V와 10V의 출력신호를 생성해 낼 수 없다는 문제점이 있었다. 왜냐하면, 도1에서 VDD=10V, VSS=-10V라고 하면, 두 개의 엔모스트랜지스터(2,4)는, 입력신호(Vin)가 0V와 5V인 경우에 대하여 모두 턴온이기 때문이다. 또한, VSS가 0V인 경우에도, 다결정 박막트랜지스터(Poly-SiTFT)회로와 같이 문턱전압이 매우 큰 회로에서, 즉, 엔모스트랜지스터(2,4)의 문턱전압이 4V이상인 경우에는 엔모스트랜지스터(2,4)가 5V입력신호에 대해서 매우 약하게 턴온되거나, 혹은 턴온되지 않기 때문에 상기 종래의 레벨쉬프터는 정상 동작하지 않는다는 문제점이 있었다. 따라서, 도1의 종래의 레벨쉬프터의 동작은 엔모스트랜지스터(2,4)의 문턱 전압의 변화에 따라 민감하게 반응한다고 말할 수 있다. 게다가 도1에 나타난 바와같이 입력신호(Vin)를 반전시키기 위한 인버터(IN)가 필요하고, 이 인버터(IN)의 동작을 위해서 0V 및 5V의 전원을 공급해 주어야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 트랜지스터가 0.7V에서 최대 7V까지의 문턱전압을 갖는 경우에도 별도의 전원공급 없이 0V와 5V의 입력신호를 -10V와 10V의 출력신호로 만들 수 있는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 OV와 5V의 입력에 대하여 문턱전압변화에 관계없이 엔모스트랜지스터와 피모스트랜지스터의 구동신호를 발생하는 2레벨 출력인버터와, 그 2레벨 출력인버터의 구동신호에 따라 각각 피모스트랜지스터와 엔모스트랜지스터를 구동하여, -1OV와 1OV에서 문턱전압만큼 감소된 신호를 출력하는 2레벨 입력인버터와, 그 2레벨 입력인버터에서 출력된 신호를 -1OV와 10V의 신호로 출력하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술에 의한 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터는 도2에 도시된 바와같이, OV와 5V의 입력신호(Vin)에 따라 2레벨의 출력신호(out-H),(out-L)를 발생하는 2레벨 출력인버터(10)와, 그 2레벨 출력인버터(10)의 출력신호(out-H),(out-L)를 따라 피모스트랜지스터와 엔모스트랜지스터를 따로 구동하여, 문턱전압의 절대값이 7V이상일 때 -8V와 8V의 신호신호(out1)를 발생하는 2레벨 입력인버터(20)와, 그 2레벨 입력인버터(20)의 출력신호(out1)를 -1OV와 10의 출력신호(out2)로 발생하는 인버터(30)와, 그 인버터(30)의 출력신호(out2)를 반전시키는 인버터(40)로 구성된다.

상기 2레벨 출력인버터(10)는 제 3 도에 도시된 바와같이, 전원단자(1OV)와 전원단자(-1OV)사이에 직렬 연결된 피모스트랜지스터(P1)와 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2)로 이루어진 전송게이트(TG) 및 엔모스트랜지스터(N2)로 구성된다.

그리고, 퍼모스트랜지스터(P1)와 전송게이트(TG)의 사이에 출력단자(21), 전송게이트(TG)와 엔모스트랜지스터(N2)의 사이에 출력단자(22)가 구성되며, 피모스트랜지스터(P1)와 엔모스트랜지스터(N1)의 게이트는 입력단자와 공통 연결되고, 피모스트랜지스터(P2)와 엔모스트랜지스터(N2)의 게이트는 출력단자(22)에 공통 연결된다.

2레벨 입력 인버터(20)는 도5에 도시된 바와같이, 전원단자(10V)와 전원단자(-1OV)사이에 직렬 연결되어, 게이트에 상기 2레벨 출력인버터(10)의 출력신호(out-H),(out-L)가 각기 입력되는 피모스트랜지스터(P3) 및 엔모스트랜지스터(N3)로 구성된다.

그리고, 인버터(30)는 전원단자(10V)와 전원단자(-1OV)사이에 직렬 연결되고, 게이트에 상기 2레벨 입력 인버터(20)의 출력신호(out1)가 공통 입력되는 피모스트랜지스터(P4)와 엔모스트랜지스터(N4)로 구성되고, 인버터(40)는 전원단자(1OV)와 전원단자(-1OV)사이에 직렬 연결되어, 게이트에 상기 인버터(30)의 출력신호(out2)가 공통 인력되는 피모스트랜지스터(P5)와 엔모스트랜지스터(N5)로 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명의 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, OV의 신호(Vin)가 입력되면, 2레벨 출력인버터(10)의 피모스트랜지스터(P1)은 턴온되고, 엔모스트랜지스터(N1)는 피모스트랜지스터(P1)에 비하여 약하게 턴온된다. 엔모스 트랜지스터(N1)와 이에 병렬 연결된 피모스 트랜지스터(P2), 그리고 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2)에 직렬연결된 엔모스트랜지스터(N2)는 전압분배기 역할을 수행한다.

따라서, out H 전압은 피모스트랜지스터(P1), 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지스터(N2)의 전압 분배에 의해 결정되며, 피모트랜지스터(P1)가 강하게 턴온(Vin=0V이므로, ｜Vgs｜=10)되어 있기 때문에, out H 전압은 거의 10V에 가까이 이르게 된다. 그리고, out L의 전압은 out H의 전압이 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지스터(N2)에 의해 전압 분배되어 결정된다. 도4에 Vin이 0V일때의 out H 전압과 out L전압을 도시하였다.

한편, 5V의 신호(Vin)가 입력되면, 엔모스트랜지스터(N1)의 전류구동능력이 피모스트랜지스터(P1)의 전류구동능력보다 더 커지게 된다. 이는 문턱전압이 7V이상 클 경우에도 성립된다.

따라서, 10V 전원으로 부터 피모스트랜지스터(P1)를 통해 출력단자(21)에 공급되는 전류보다 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2)를 통해 방전되는 전류가 더 크기 때문에, 출력단자(21)의 전압 out H는 엔모스 트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2)로 이루어진 전송게이트가 턴오프되는 전압까지 떨어진다. 도4에 Vin이 5V일 때, out H 전압이 떨어지는 파형을 도시하였다. 그리고, out L의 전압은, Vin=0V일때와는 달리, 엔모스트랜지스터(N1)가 강하게 턴온되어 있기 때문에, 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지스터(N2)에 의해 전압 분배되어 결정되지 않는다. 대신, out L의 전압은 도4에 나타낸 바와같이, -10V보다 엔모스트랜지스터(N2)의 문턱전압만큼 높은 전압까지 떨어진다. 결국, Vin-0V일때의 out L의 전압은 엔모스트랜지스터(N2)의 문턱전압에 의해 결정된다.

이상에서 설명한 바와같이 0V 및 5V의 입력 신호(Vin)에 대하여 결정된, 상기 2레벨 출력인버터(10)의 출력신호(out-H)와 출력신호(out-L)는 2레벨 입력인버터(20)의 피모스트랜지스터(P3)의 게이트와 엔모스 트랜지스터(N3)의 게이트로 각각 입력된다.

먼저, 전체 레벨쉬프터의 입력신호(Vin)가 0V일 때, 앞서 설명한대로 상기 2레벨 출력인버터(10)의 출력단자(21)의 전압(out H)은 거의 10V에 이르게 되어, 2레벨 입력인버터(20)의 피모스트랜지스터(P3)는 턴오프된다. 또한, 출력단자(22)의 전압(out L)은 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지스터(N2)에 의해 전압 분배되어 결정되기 때문에, 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지서터(N2)를 적절히 사이징함으로써 2레벨 입력인버터(20)의 엔모스트랜지스터(N3)를 턴온시킬 수 있다. 이때 2레벨 입력 인버터(20)의 출력전압(out1)은 10V로 떨어지게 된다. 도6의 경우는 2레벨 출력인버터(10)의 출력단자(21)의 전압(out H)이 채 10V에 이르지 못함으로써 2레벨 입력 인버터(20)의 피모스트랜지스터(P3)가 약하게 턴온되어, out1 전압이 완전히 -10V까지 이르지 못한 경우를 도시한 것이다.

그리고, 전체 레벨쉬프터의 입력신호(Vin)가 5V일 때, out H의 전압은, 역시 상기에서 설명한대로 병렬 연결된 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2) 및 엔모스트랜지스터(N2)를 통해 방전된 전하에 의해 떨어지게 되어, 2레벨 입력 인버터(20)의 피모스트랜지스터(P3)는 턴온된다. 또한, 출력단자(22)의 전압(out L)은 -10V보다 엔모스트랜지스터(N2)의 문턱전압만큼 높은 전압까지 떨어지기 때문에, 2레벨 입력 인버터(20)의 엔모스트랜지스터(N3)는 약하게 턴온, 또는 거의 턴오프된다. 따라서, 다결정 실리콘 트랜지스터(Poly-Si TFT)회로에서와 같이 트랜지스터의 문턱전압이 불균일한 경우에도, 인접한 엔모스트랜지스터(N2)와 엔모스트랜지스터(N3)의 문턱전압은 비슷하기 때문에, 엔모스트랜지스터(N3)의 문턱전압의 패널마다 불균일하더라도, out L의 전압은 이에 연동하여 2레벨 입력인버터(20)의 엔모스트랜지스터(N3)를 턴오프시킬 수 있도록 변화한다. 즉, 엔모스트랜지스터(N2)는 인접한 엔모스트랜지스터(N3)의 문턱전압을 측정하는 역할을 한다고 할 수 있다. 도6의 경우는 2레벨 입력인버터(20)의 엔모스트랜지스터(N3)가 약하게 턴온됨으로써 출력전압이 완전히 10V에 이르지 못한 경우를 도시한 것이다.

비록 2레벨 입력인버터(20)의 출력이 도6에 나타낸 바와같이 -10V에서 10V까지 풀스윙하지 못하는 경우라 하더라도, 도2의 캐스캐이드로 연결된 인버터(30) 및 인버터(40)를 통과하면서 도7에 나타낸 바와같이 -10V에서 10V까지 풀스윙하는 출력을 얻을 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와같이, 본 발명은 엔모스트랜지스터의 문턱전압(Vin)을 재는 역할과 전압분배기 역할을 하는 모스트랜지스터를 구비함으로써, 2V에서 최대 7V까지의 문턱전압일 경우에도 일정한 주파수로 동작되고, 별도의 보조전원이나 반전신호의 공급없이 0V와 5V의 입력으로 -10V와 10V의 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

OV와 5V의 입력에 대하여 문턱전압변화에 관계없이 엔모스트랜지스터와 피모스트랜지스터의 구동신호를 발생하는 2레벨 출력인버터(10)와, 그 2레벨 출력인버터(10)의 구동신호에 따라 각각 피모스트랜지스터와 엔모스트랜지스터를 구동하여, 거의 -1OV와 1OV에 이르는 신호를 출력하는 2레벨 입력인버터(20)와, 그 2레벨 입력인버터(20)에서 출력된 신호를 -1OV와 1OV의 신호로 출력하는 인버터(30)로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터.
제1항에 있어서, 상기 2레벨 출력인버터(10)는 전원단자(10V)와 전원단자(-10V)사이에 직렬 연결된 피모스트랜지스터(P1)와, 엔모스트랜지스터(N1)와 피모스트랜지스터(P2)로 이루어진 전송게이트(TG) 및 엔모스트랜지스터(N2)로 구성되어, 피모스트랜지스터(P1)와 엔모스트랜지스터(N1)의 게이트는 입력단자에 공통 연결되고, 엔모스트랜지스터(N2)와 피모스트랜지스터(P2)의 게이트는 공통으로 출력단자(22)에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레 벨쉬프터.
제2항에 있어서, 상기 엔모스트랜지스터(N2)는 0V의 입력신호(Vin)가 입력될 때 전압분배기로 동작되고, 5V의 입력신호(Vin)가 입력될 때는 문턱전압(Vtn)을 측정하는 역할을 수행하게 구성된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터.
제1항에 있어서, 상기 2레벨 입력인버터(20)는 전원단자(1OV)와 전원단자(-10V)사이에 직렬 연결되어, 게이트는 각각 2레벨 출력인버터(10)의 출력신호(out-H),(out-L)에 의해 구동되는 피모스트랜지스터(P3) 및 엔모스트랜지스터(N3)로 구성된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터.
제4항에 있어서, OV의 입력신호(Vin)에 대한 출력신호(out-H)는 피모스트랜지스터(P3)를 턴오프시키고, 5V의 입력신호(Vin)에 대한 출력신호(out-H)는 피모스트랜지스터(P3)를 턴온시키게 구성된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터.
제4항에 있어서, OV의 입력신호(Vin)에 대한 출력신호(out-L)는 엔모스트랜지스터(N3)를 턴온시키고, 5V의 입력신호(Vin)에 대한 출력신호(out H)는 엔모스트랜지스터(N3)를 턴오프시키게 구성된 것을 특징으로 하는 문턱전압 변화에 둔감한 레벨쉬프터.