KR100319288B1

KR100319288B1 - 고속, 저 스큐 ｃｍｏｓ-ｅｃｌ컨버터

Info

Publication number: KR100319288B1
Application number: KR1020000004149A
Authority: KR
Inventors: 트레너에프구델
Original assignee: 다니엘 이. 박서; 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2002-01-04
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: EP1024598A1; DE69935407D1; EP1024598B1; KR20000071305A; DE69935407T2; US6175249B1

Abstract

본 발명은 ECL레벨과 관련한 예들로서 이를테면 차동 논리 신호 쌍으로 CMOS 논리 신호를 변환하기 위한 논리 레벨 컨버터에 관한 것이다. 컨버터는 스위치 가능한 CMOS 레벨 입력에 연결된 제1의 컨버터 브랜치를 포함하고, 또한 제1의 스위치 가능한 변환된 출력을 제공한다. 제2의 컨버터 브랜치는 입력에 연결되어 있지 않으며 또한 제1의 컨버터 브랜치에도 연결되어 있지 않다. 제2의 컨버터 브랜치는 제1의 컨버터 브랜치 스위치의 출력을 스위치하는 고정된 기준 신호 출력을 제공한다. 제1의 컨버터 브랜치에 대한 입력신호의 변화는 그의 출력 전압을, 제2의 컨버터 브랜치에 의해 공급된 상기 고정된 기준 신호의 전압 이상 또는 이하로 되게 한다. 개개의 브랜치의 성분은 선택가능한 레벨로 고정된 신호를 위치시키고 또한 2개 출력 신호간의 차이를 정의하기 위해 구성될 수 있다. 컨버터와 관련한 전류는 제조, 온도 및/또는 전원 전압의 변화의 효과를 최소화하기 위해 두 브랜치를 통해 반영된다.

Description

고속, 저 스큐 ＣＭＯＳ-ＥＣＬ컨버터{HIGH SPEED LOW SKEW CMOS TO ECL CONVERTER}

본 발명은 한 위치에서 다른 위치로 전기 신호를 전송하기 위한 회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상보형 금속-산화물-실리콘(CMOS)트랜지스터의 동작과 관련한 논리 레벨을, 이미터-결합 논리(ECL)트랜지스터의 동작과 관련한 논리 레벨로 변환시키는 컨버터에 관한 것이다.

전압 레벨 컨버터는 컨버터로 유입되는 단일 신호 입력 또는 한 쌍의 입력 신호와 관련한 논리 하이 및 논리 로우 전압 레벨을, 하부 회로와 양립하는 고 및 저 전압 레벨로 조정하기 위해 사용된다. 컨버터는 원하는 진폭 및 속도로 전기신호들을 전달해야 만다. 신호 전달은 동일한 반도체-기본형 칩상이나 서로 다른 칩상에 있는 활성 장치들 사이에서 일어난다. 상기 장치는 서로에 대해 근접위치 될 수 있고, 또는 서로 약간 거리를 둘 수 있다. 하나 또는 그 이상의 버스 접속을 요구하는 근접 장치 인터페이스의 한 예는 컴퓨팅 시스템 내의 다른 곳으로, 이를테면 후면 버스를 통해 하나의 인쇄 회로 기판을 연결하는 것이다. 하나 또는 그 이상의 버스 접속을 요구하는 원격 장치 인터페이스의 한 예는 다른 곳에 하나의 컴퓨팅 시스템을 연결하는 것이다.

모든 컴퓨팅 및 통신 시스템에서 진행하고 있는 목표는 가능한 한 신속하고 정확하게 전기 신호를 전달할 수 있도록 하는 것이다. 그러한 목표를 달성하기 위해 상기 신호들이 비교적 일정한 속도, 진폭 및 세기로 전송되는 것이 중요하다. 이것은 단일 컴퓨팅 시스템에서 행하기가 더욱 용이하지만, 다수의 비 균등한 컴퓨팅 시스템의 인터페이싱을 수반할 때는 그렇지 못하다.

디지털 시스템에서 장치들간에 이동하는 신호는 논리 레벨 하이(또는 '1' 또는 '온') 및 논리 레벨 로우(또는 '0' 또는 '오프')로 분류된다는 것을 잘 알고 있다. 논리 하이 또는 논리 로우를 한정하는 특정한 신호 전압은 상기 전송과 관련한 회로를 형성하는 반도체 성분에 의존한다. 디지털 신호를 발생하는데 이용되는 대부분의 공통 회로 구조는 여럿 가운데서, CMOS, 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL), 및 특히 ECL-양극성 전력 레일-기본형 ECL(PECL)를 포함한다. 이들 각각의 논리 구조는 논리 하이 신호를 구성하는 것과 논리 로우 신호를 구성하는 것간에 '스윙'의 작용으로 서로 다르게 동작한다.

보다 느리고, 보다 적은 전력 소모를 하는 MOS 트랜지스터의 사용에 주로 기초한 CMOS논리에 대해, 일반적으로 논리 로우 신호는 0.0V일수 있는 저-전압 전력 레일(GND)보다 높은 0.6V볼트(V)의 영역에서 개발되었다. 논리 하이 신호는 일반적으로 Vcc 내지 Vcc-0.6V의 영역에서 개발되었는데, 여기서 Vcc는 공칭 5볼트 공급전압에 대해 4.5V와 5.5V사이에서 변화할 수 있다. 따라서, 3.3 볼트 공급 전압에 대해 하이와 로우간의 스윙 차는 논리 로우와 논리 하이간에 원하는 시프트가 발생할 수 있다는 것을 보장하기 위해 적어도 2.4 볼트이어야 만 한다. 한편, TTL 및 ECL 논리 구조는 더 신속하고, 높은 전력을 소모하는 바이폴라 트랜지스터에 주로 기초한다. 논리 로우와 논리 하이간의 시프트에 대한 스윙 차는 CMOS동작에 대한 스윙 차 보다 상당히 작은데, 이것은 0.4볼트보다 작다. Vcc에 의존하는 PECL회로에서, 논리 하이는 약 Vcc-0.8V의 전압과 동일하며, 논리로우는 약 Vcc-1.9V의 전압과 동일하다. 그러므로, CMOS와 non-CMOS를 정합하는데 있어서, 전압 스윙의 변화는 하나의 논리 레벨에서 다른 논리 레벨로 원하는 스윙의 트리거링을 자동적으로 보장할 수 없다. 더욱이, CMOS신호에서 작은 전압 스윙들은 여기서 어떤 논리 레벨 변화에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 이 스윙들은 TTL 또는 ECL-기본형 시스템에 전송될 때 TTL 또는 ECL 논리 값에 있어서 예측하지 못한 변화를 일으키는데 매우 충분해 질 수 있다.

명확하게, 논리 값에 있어서 예측하지 못한 변화는 바람직하지 못하다. 이 변화는 중요한 동작상의 오류를 일으킬 수 있다. 따라서, 논리 레벨 컨버터는 과도한 신호 전압 스윙을 발생할 수 있는 논리 레벨 컨버터를 제공하는 것이 중요하며,그 외에 특히 논리 레벨 시프트를 달성하는 것이 요구된다. 이 문제는 전송 속도가 증가될 때 발생하기가 더욱 쉽다. 증가하는 전송 속도는 더 짧은 기간에 더 많은 데이터의 전송을 가능케 하여 여러 관점에서 바람직하다. 그러나, 증가된 전송 속도에서 게인은 신호 노이즈의 증가로 종종 손상된다. 즉, 신호 레벨의 급격한 변화는 트랜지스터의 갑작스런 스위칭 온 또는 스위칭 오프에 대응하는 안정한 상태 값에 관하여 동요를 일으킨다. 동요의 정도는 사용되는 특정 트랜지스터 시스템 뿐 아니라 하부 결합 회로의 부하에도 의존한다.

트랜지스터는 요구하는 보다 더 빠른 전송 속도를 달성하도록 점차 더 작아지기 때문에, 그 논리 출력들과 관련한 해당 스윙 차는 감소된다. 더 넓은-스윙 CMOS 논리 시스템이 더 작은-스윙 바이폴라-트랜지스터-기본형 논리 시스템과 인터페이스할 경우, CMOS 동작과 관련한 노이즈가 원치 않은 트랜지스터 스위칭을 일으키기 위해 필요한 만큼의 스윙을 발생할 수 있다. 빠른 스위칭에 의해 일어나는 신호 바운스는 종종 전송 매체에서 반사작용을 일으킨다. 따라서 신호 스위치와 관련한 왜곡을 최소화하는 것이 중요하다. 그러나, 왜곡을 최소하기 위한 노력은 증가된 신호 전송 지연(더 작고, 더 빠른 시스템에서 바람직하지 못한 상태)을 초래할 수 있다. 또한 점점 더 작은 장치에 따라, 신호 왜곡 상에서 제조 변형의 효과가 확대된다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 그러한 변형의 정도는 없앨 수 있으며, 논리 레벨 변환은 전송 속도를 희생하지 않고도 달성될 수 있다.

CMOS-ECL 컨버터는 널리 알려져 있다. 종래 컨버터의 예로는 트란(Tran)에 의해 발행된 미국특허 제5,343,093호, 람(Lam)에 의해 발행된 미국특허제5,311,082호, 아소(Aso)에 의해 발행된 미국특허 제5,117,134호에 개시된 회로를 포함한다. 개개의 공지된 종래의 장치는 컨버터와 관련한 상보형 신호들중 두 신호와 관련한 논리 레벨을 시프트하기 위해 제공한다. 그 때문에, 이 장치들은 신호를 전이하는 동안 발생할 수 있는 바람직하지 못한 왜곡으로 두 신호를 종속시킨다. 더욱이, 람(Lam)컨버터는 고- 전압 전력 레일과 관련되며, 신호 진폭 및 전송 속도에 영향을 주는 온도, 제조, 및 Vcc변화에 영향을 받기 쉽다. Aso회로는 MOS-레벨 전압과 관련한 공통-모드 효과에 대한 조정을 위해 외부 스위칭 브랜치를 필요로 한다. 이와 같이 부가된 브랜치는 컨버터의 크기를 증가시키는데, 이는 더 작은 장치가 중요시 될 경우 바람직하지 못하다.

따라서, 필요한 것은 MOS-레벨 신호를 최소 전달 지연과 작은 왜곡을 가진 ECL-레벨 신호로 변환할 수 있는 논리 레벨 컨버터이다. 또한 필요한 것은 온도, 제조, 및 Vcc 변화에 비교적 무관한 논리 레벨 컨버터이다. 또한 필요한 것은 제조하는데 비교적 간단하고 과도한 칩 공간을 차지하지 않는 논리 레벨 컨버터이다.

본 발명의 목적은 MOS-레벨 신호를 최소 전달 지연과 작은 왜곡을 가진 ECL-레벨 신호로 변환 할 수 있는 논리 레벨 컨버터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 온도, 제조, 및 Vcc 변화에 비교적 무관한 그러한 논리 레벨 컨버터를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 제조하기에 비교적 간단하고 과도한 칩 공간을 차지하지 않는 논리 레벨 컨버터를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 논리 레벨 컨버터의 개략적 블록도.

도2는 본 발명의 논리 레벨 컨버터의 바람직한 설계의 개략적인 다이어그램도.

도3은 도2에 나타낸 본 발명의 논리 레벨 컨버터의 스위칭 특성을 나타내는 파형도.

이들 목적 및 다른 목적은 본 발명에서 상기 컨버터의 두 상보형 출력중 한 출력을 고정된 기준 신호로 설정함으로써 달성된다. 즉, 컨버터의 한 출력은 ECL차동 스윙 영역내에서 가급적 중심에 있는 세트 전압으로 존재한다. 컨버터의 다른 출력은 그의 전압이 고정된 기준 신호 출력과 관련한 전압 둘레에서 스윙하도록 회로에 연결된다. 전압을 스위치하는데 허용되는 출력은 스위칭 CMOS-전압-레벨 신호를 본 발명의 컨버터에 전달하는 입력에 차례로 연결된 제1의 컨버터 브랜치에 연결된다. 고정된 기준 출력은 입력에 연결되지 않는다. 대신에 이것은 선택가능한 고정된 레벨에서 비교적 안정한 전압을 설정하는 브랜치 요소사이의 제2의 컨버터 브랜치에 연결된다. 제2의 컨버터 브랜치는 고정된 기준 전압이 이들 두 부분사이에 연결되는 경우 제1의 전압 강하 부와 제2의 전압 강하부를 포함한다. 상기 제2의 컨버터 브랜치의 두 전압 강하 부와 관련한 강하는 대칭적일 수 있거나 그렇지 않을 수도 있다.

스윙 출력이 컨버터의 입력에서 신호 레벨에 따른 적합한 전압사이에서 스위치하는지를 보장하기 위해 제1의 컨버터 브랜치는 상기 고정된 기준신호 이상으로 스위칭 출력의 전압을 조정하는 제1의 스위칭 부와, 상기 고정된 기준 신호 이하로 스위칭 출력의 전압을 조정하는 제2의 스위칭 부를 포함한다. 제1의 스위칭 부는 Vcc로 표시된 고-전압 전력 레일에 연결된 제1의 입력-조정 스위치를 포함하며 또한 Vcc에 연결되는 제1의 전압-강하 요소와 병렬로 있다. 이들 병렬 성분은 제2의 전압-강하 요소와 직렬로 연결된다. 제2의 스위칭 부는 GND로 표시된 저-전압 전력 레일에 연결된 제2의 입력-조정 스위치를 포함하며 또한 GND에 연결되는 제3의 전압 강하 요소와 병렬로 연결된다. 상기 병렬 성분은 제4의 전압 강하 요소에 직렬로 연결된다. 컨버터의 스위칭 출력 노드는 제2의 전압-강하 요소와 제4의 전압 강하 요소사이에 연결된다.

본 발명의 컨버터는 상기 제1의 브랜치를 통과하는 전류가 상기 제2의 브랜치를 통과하는 전류에 반영되도록 바람직하게 설계된다. 그런 방법으로 온도, 제조, 및/또는 Vcc변화에 의해 야기된 전류 변화는 두 브랜치에서 정합 된다. 따라서, 상기 기준 출력에 연결된 브랜치에서 전류 변화가 상기 출력 전압에서 변화를 일으킬 수 있지만, 같은 종류의 전류 변화가 변화하는 스위칭 출력 전압에서 유사한 변경을 일으킬 수 있다. 그러므로, 전압 차는 적합한 ECL영역 내에서 동일하게 존재한다. 물론, 이러한 기술은 다른 요구되는 전압 스윙을 가진 다른 컨버터에 적용될 수 있다.

두 컨버터 브랜치와 관련한 전류 반영은 개개의 브랜치와 관련한 각각의 전압 강하 성분의 특성을 정합해서 바람직하게 달성된다. 특히, 제1의 컨버터 브랜치의 제2의 전압 강하 요소와 관련한 강하는 제2의 컨버터 브랜치의 제1의 전압 강하 부와 관련한 강하에 정합된다. 제1의 스위치가 활성화되면 제1의 브랜치의 스윙 출력이 고정된 기준 출력과 관련한 전압에 대해 논리 하이에 대응하는 전압에 있기 때문에, 그것은 상대 논리 하이 레벨 스윙을 나타낸다. 유사하게, 제1의 컨버터 브랜치의 제4의 전압 강하요소와 관련된 강하는 상기 제2의 컨버터 브랜치의 제2의 전압 강하 부와 관련된 강하와 정합한다. 제2의 스위치가 활성화될 때, 제1의 브랜치의 스윙 출력은 고정된 기준 출력과 관련한 전압에 대해 논리 로우에 대응하는전압에 있기 때문에, 그것은 상대 논리 로우 레벨 스윙에 대한 설명이다.

제1 브랜치의 제 1 및 제2의 스위치는 본 발명의 컨버터와 관련한 지연 성분만 있는 인버터로 바람직하게 형성된다. 사실상, 논리 레벨 변환은 하나의 게이트 지연내에서 달성된다. 논리 레벨 컨버터에 대해 가능한 한 가장 짧은 지연과, 개개의 브랜치에서 전압 강하 성분의 설계의 반영은 최소 전달 지연, 저-고 및 고-저 전이에 대해 매우 낮은 스큐(skew), 및 최소 펄스 폭 왜곡을 초래한다. 두 브랜치는 요구하는 전압차가 실제로 일정한 상태에 있도록 제조, 온도 및 /또는 Vcc 변화에 의해 동일하게 일어날 수 있는 임의의 전압 편차를 공유한다.

본 발명의 이러한 이점과 다른 이점은 다음의 상세한 설명과, 첨부 도면, 및 청구범위를 통해 명확해질 것이다.

실시예

본 발명의 고속, 저 스큐, 저 레벨 컨버터(10)는 도1에 간단히 도시되어 있다. 컨버터(10)는 CMOS논리 레벨과 관련한 전압으로부터 입력노드(IN)로 있는 단일 스위칭 신호를, ECL논리 레벨과 관련한 전압으로 있는 OUT 및 OUTb의 상보적인 한 쌍의 출력신호로 변환하기 위해 설계된다. OUT 및 OUTb와 관련한 전압은 건닝 트랜시버 논리(GTL;Gunning Transceiver Logic)에 제한되지 않지만 이를 포함하는 ECL과 관련한 것들과 다른 레벨로 컨버터(10)에 의해 전개 될 수 있음이 예상된다.

본 발명의 컨버터(10)는 출력노드(OUTb)가 제1의 컨버터 브랜치(20)에 연결되고 또한 출력노드(OUT)가 제2의 컨버터 브랜치(30)에 연결되는 경우에 제1의 컨버터 브랜치(20)와 제2 컨버터 브랜치(30)를 포함한다. 입력 노드(IN)는 제1의 컨버터 브랜치(30)에만 연결되며 또한 브랜치의 동작만을 제어한다는 것에 주목해야 한다. 한편, 제2의 브랜치(30)는 스위칭 입력에 연결되지 않는다. 더욱이, 제2의 브랜치(30)는 제1의 브랜치(20)에 연결되지 않으며 또한 브랜치(30)는 IN에서 신호에 완전히 무관하게 동작한다. 결과적으로, 노드(OUT)에서의 전압은 브랜치(30)의 성분과 관련한 강하에 의해 한정된 선택 가능 레벨에서 고정된 상태로 남는다.

하부 ECL-베이스형 회로가 OUT 및 OUTb에서 상보적인 신호를 포함하는 적합한 차동 신호로 제공되는 지를 보장하기 위해, 제1의 컨버터 브랜치(20)는 제1의 스위칭 성분(21), 제1의 전압 강하 요소(22), 제2의 전압 강하 요소(23), 제2의 스위치 성분(24), 제3의 전압 강하 요소(25), 및 제4의 전압 강하 요소(26)를 포함한다. 출력노드(OUTb)는 노드(A)에서 요소(23)와 요소( 26)사이에 연결되는데, 노드(A)의 전압은 OUTb에서의 전압을 규정한다. 입력 노드(IN)가 스위치 성분(21 및 24)에 연결되며, 그 결과 IN에서 인가된 CMOS-레벨 신호는 스위치 성분(21 및 24)중 어느 것이 활성화되는지를 규정한다.

계속해서 도1과 관련하여, 스위치 성분(21)은 고-전압 전력 레일(Vcc)에 연결된 고-전압 노드와, 제2의 전압 강하 요소(23)의 고-전압 노드에 연결된 저-전압 노드를 갖는다. 제1의 전압 강하 요소(22)는 고-전압 전력 레일(Vcc)djp 연결된 고-전압 노드와, 제2의 전압 강하 요소(23)의 고-전압 노드에 연결된 저-전압 노드를 갖기 때문에 스위치 성분(21)과 병렬로 있다. 스위치 성분(21)이 IN에서 신호에 의해 활성화되는 경우, 이것은 노드(A)에서 전압이 Vcc의 전압에서 요소(23)와 관련한 전압 강하를 마이너스한 값과 같도록 요소(22)를 쇼트 시킨다.

제1의 컨버터 브랜치(20)의 타 단부에서, 스위치 성분(24)은 저-전압 전력 레일(GND)에 연결된 저-전압 노드와, 제4의 전압 강하 요소(26)의 저-전력 노드에 연결된 고-전압 노드를 갖는다. 제3의 전압 강하 요소(25)는 저-전압 전력 레일(GND)에 연결된 저-전압 노드와, 제4의 전압 강하 요소(26)의 저-전력 노드에 연결된 고-전압 노드를 갖기 때문에 스위치 성분(24)과 병렬로 있다. 스위치 성분(24)은 IN에서 신호에 의해 활성화되는 경우, 이것은 노드(A)에서 전압이 GND의 전압에 요소(26)와 관련한 전압 강하를 플러스한 값과 같도록 요소(25)를 쇼트 시킨다. 물론 컨버터(10)는 스위치 성분(21 및 24)이 동시에 활성화되지 않도록 설계된다.

도1에 나타낸바와 같이, 제2의 컨버터 브랜치(30)는 비교적 간단한 서브-회로이다. 이것은 제1의 전압 강하 요소(31)와 제2의 전압 강하 요소(32)를 포함한다. 제1의 전압 강하 요소(31)는 Vcc에 연결된 고-전압 노드와, 제2의 전압 강하 요소(32)의 고-전압 노드에 연결된 저-전압 노드를 갖는다. 제2의 전압 강하 요소(32)는 GND에 연결된 저-전압 노드를 갖는다. 출력노드(OUT)는 노드(B)에서 요소(31)와 요소(32)사이에 연결되는데, 노드(B)에서 전압은 OUT에서 전압을 규정한다.

요소(31 및 32)의 전기적인 특성은 하부 차동 회로에 대해 논리 레벨과 관련한 전압의 영역내에서 가급적 중심에 놓인 노드(B)에서 고정된 전압을 규정하기 위해 바람직하게 선택된다. 도2와 관련하여 기술될 컨버터(10)의 두 서로 다른 브랜치의 성분중 유사한 요소는 개개의 브랜치를 통과하는 전류의 반영을 보장한다.Vcc 및 GND와 관련한 전압들간의 신호를 중심에 놓는 것에 부가해서 그러한 특징은제조, 온도 및/또는 Vcc 변화의 효과를 없애거나 최소화시킨다.

본 발명의 고속, 저 스큐 컨버터(10)의 바람직한 상세한 설계는 도2에 나타내었다. 컨버터(10)의 바람직한 설계로서 제1의 컨버터 브랜치(20)는 트랜지스터(M1 및 M2)로 형성된 인버터를 포함하는데, M1은 도1의 스위치 성분(21)에 대응하는 PMOS 트랜지스터이고, M2는 도1의 스위치 성분(21)에 대응하는 NMOS 트랜지스터이다. 입력 노드(IN)는 IN에서 논리 하이가 M1을 턴오프 하고 M2를 턴온 하도록 트랜지스터(M1 및 M2)의 게이트에 연결된다. 상응해서 IN에서 논리 로우는 M1을 턴온 하고 M2를 턴오프 한다. 또한 제1의 브랜치(20)는 요소(22)에 의해 브랜치(20)가 M1이 오프일 때 전도상태에 있도록 M1과 병렬로 있는 저항(R1 및 R2)을 포함한다. M1이 온일 때, 저항(R1 및 R2)은 쇼트된다. 유사하게, 요소(25)와 대등한 저항(R3 및 R4)은 M2가 오프일 때 브랜치(20)가 전도 상태에 있도록 M2와 병렬로 있다. 상응해서 M2가 온일 때, 저항(R3 및 R4)은 쇼트된다. 트랜지스터(M1)는 Vcc에 연결된 소오스와 벌크를 갖는다. 트랜지스터(M2)는 GND에 연결된 소오스와 벌크를 갖는다.

도2에 도시한 브랜치(20)의 중요 성분은 제2의 강하 요소(23)에 대응하는 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터(Q1)와, 한 세트로서 제4의 강하 요소(26)에 대응하는 직렬로 한 쌍의 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터(Q2 및 Q3)를 포함한다. 트랜지스터(Q1)는 베이스와 M1의 드레인 및 R2의저-전압 노드에 연결된 컬렉터, 및 노드(A)에 연결된 이미터를 갖는다. 트랜지스터(Q3)는 M2의 드레인과 R3의고-전압 노드에 연결된 이미터, 및 컬렉터 그리고 Q2의 이미터에 연결된 베이스를 갖는다. 트랜지스터(Q2)는 베이스와 노드(A)에 연결된 컬렉터를 갖는다. 어떤 종류의 전압 강하 요소는 하나 또는 그 이상의 저항이나 하나 또는 그 이상의 다이오드를 포함하지만 그에 제한되지 않는 요소(23 및 26)를 형성하는데 이용될 수 있음은 당연하다. 그러나, 이것은 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터가 고속, 저-스큐 장치에서 바람직한 어떤 종류의 동작상의 안정성을 제공하는지를 결정해 왔다. 요소(26)는 상기 변환된 신호가 Vcc와 GND의 전압사이에서 중심에 있는 전압에 대해 대칭적으로 스위칭되는 경우에 단일 바이폴라 트랜지스터로 형성될 수 있음을 주목해야 한다.

계속해서 도2와 관련하여, 고정된 기준 브랜치(30)는 전압 강하 요소(31)로서 동작하는 직렬 결합으로 있는 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터(Q4)와 저항(R5)을 포함한다. 또한 브랜치(30)는 전압 강하 요소(32)를 형성하는 결합체로서 직렬 결합으로 있는 저항(R6)과 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터(Q5 및 Q6)를 포함한다. Q4는 베이스, Vcc에 연결된 컬렉터, 및 R5의 고-전압 노드에 연결된 이미터를 갖는다. R5는 노드(B)에 연결된 저-전압 노드를 갖는다. Q6는 GND에 연결된 이미터, 베이스, 및 Q5의 이미터에 연결된 컬렉터를 갖는다. Q5는 베이스, 및 트랜지스터(R6)의 저-전압 노드에 연결된 컬렉터를 갖는다. R6는 B에 연결된 고-전압 노드를 갖는다. 트랜지스터(Q1)와 트랜지스터(Q4)는 동일한 설계이며 또한 트랜지스터(Q2-Q3)와 트랜지스터(Q5-Q6)는 동일한 설계임을 주목해야 한다. 앞서 설명한 바와 같이, Vcc와 GND사이의 중심 값을 갖는 전압에 대한 등가와 기준은 요구하는 논리 레벨 스윙을 변화시킬 수 있는 잘못으로부터 컨버터(10)를 단절시킨다.

도2의 컨버터(10)는 다음과 같이 동작한다. 노드(B)는 IN 또는 노드(A)에서의 신호 전압과 무관하게, GND의 전압에 R6, Q5 및 Q6 양단의 전압 강하를 플러스 한 것과 동일한 고정된 전압으로 존재한다. IN에서 논리 하이는 M1을 턴 오프하고, M2를 턴 온 한다. M1이 오프이고 M2가 온인 경우, 전류는 브랜치(20)에서 R1, R2, Q1, Q2 및 Q3를 통과하여 GND로 통과한다. 따라서, 노드(A)의 전압은 GND의 전압에 Q2 및 Q3 양단의 전압 강하를 플러스 한 것이다. 그에 따라, OUT에서 신호의 전압은 R6 양단의 전압강하에 의해 OUTb에서 신호의 전압을 초과하며, 그 밖의 모두는 동일하다. 논리 하이에서 논리 로우로 IN에서 신호의 스위치는 M2를 턴 오프하고, M1을 턴 온한다. M2가 오프이고 M1이 온인 경우, 전류는 브랜치(20)에서 Q1, Q2, Q3 및 R4를 통해 GND로 통과한다. 따라서 노드(A)의 전압은 GND의 전압에 Q2, Q3, R3 및 R4양단의 전압 강하를 플러스한 것이다. 그에 따라 OUTb에서 신호의 전압은 R3+R5-R6양단의 전압 강하에 의해 OUT에서 신호의 전압을 초과한다. 따라서 저항(R3)에 저항(R4)을 더한 것과 관련한 전압 강하는 적합한 ECL 레벨 변환을 가능케 하기 위해 R6와 관련한 전압과는 충분히 구분된다.

도2에 도시한 본 발명의 바람직한 설계의 여러 성분들의 배치는 본 발명의 기본 동작으로부터 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 주목해야 한다. 특히, 트랜지스터(Q1)는 직접 Vcc에 연결될 수 있으며, 또한 저항(R1 및 R2)과 병렬로 있는 트랜지스터(M1)를 가진 고-전압 노드의 성분과 연결된 저-전압 노드를 갖는다. 유사하게, 트랜지스터(Q2 및 Q3)는 저항(R3 및 R4)과 병렬로 있는 트랜지스터(M2)를 가진 부분에 연결된 고-전압 노드를 가지는 2개의 다이오드-권선된 트랜지스터의 스택과 함께, GND에 바로 직렬 연결 될 수 있다. 또한 컨버터 브랜치(30)의 장치(R6, Q5 및 Q6)의 위치조정 뿐 아니라, Q4 및 Q5의 위치 조정이 변경될 수 있다. 또한 IN에서 입력신호가 트랜지스터(M1 및 M2)와 관련한 스위치 성분을 지닌 브랜치에 연결된 채로 있으면, 브랜치(20 및 30)가 서로에 대해 위치를 변경할 수 있음을 알수 있다.

도2와 관련하여 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예가 바이폴라 트랜지스터 및 저항기의 이용을 포함하지만, 더 간단한 CMOS 제조 단계의 이점은 더 유사한 컨버터를 형성하는 데 이용될 수 있다. 특히, 다이오드-접속된 MOS 트랜지스터는 저항을 위해 이용되는 바이폴라 트랜지스터와 '긴-채널'MOS 트랜지스터의 위치에서 이용될 수 있다.

도3은 도2의 컨버터(20)를 이용할 때의 이점을 설명하고 있다. 특히, 파형으로 나타낸 라인(40)은 3.3 볼트 전원공급 시스템에 대해 입력(IN)에서 공급된 CMOS-레벨 신호이다. 라인(50)은 출력(OUT)에 연결되는 노드(B)에서 브랜치(30)의 고정된 기준 출력과 관련한 전압을 나타낸다. 끝으로, 라인(60)은 출력(OUTb)에 연결되는 노드(A)에서 브랜치(20)의 스위칭 기준 출력과 관련한 전압을 나타낸다. OUT의 전압이 약 1.9V에서 약0.0V 내지 3.15V의 CMOS 영역 내에서 중심으로부터 고정 및 오프셋된 상태로 있음을 라인(50)을 통해 알 수 있다. 이 값은 R6, Q5 및 Q6 양단의 전압 강하에 의해 규정되며, 이들 각각은 약 0.6V가 바람직하다. IN에서 스위칭 신호는 OUT에서 1.9V 레벨의 고정된 신호에 대해 사실상 중심에 있는 OUTb에서 신호의 반전을 일으킨다. 특히 도2의 컨버터에 관하여 도3에 나타낸 예를 보면, IN에서 논리 로우는 약 0.6V의 전압 강하를 각각 가진 Q2, Q3, R3 및 R4의 양단의 전압 강하를 GND의 전압에 플러스한 것에 대응하는, OUTb에서 약 2.4V의 전압을 초래한다. IN에서 논리 로우는 GND의 전압에 Q2 및 Q3 양단의 전압 강하를 플러스한 것에 대응하는 OUTb에서 약 1.3V의 전압을 초래한다. 따라서, 본 발명의 상기 예의 경우에 풀-스윙 CMOS 입력은 약 0.6V의 차이를 갖는 다른 한 쌍의 출력 신호로 변환될 수 있다. 이 차이는 ECL시스템에 대해 최소한 0.4V차 이상이 좋다.

요약해서, 컨버터(10)는 고정된 기준 노드(OUT)에 관하여 노드(OUTb)의 전압을 변경시켜서 CMOS-차이-ECL변환을 달성한다. 펄스 폭 왜곡을 피하기 위해, 스윙 노드(OUTb)는 기준 전압에 대해 중심에 있는 것이 바람직하다. 컨버터(10)는 Vcc양단을 트랙하고 또한 가능한 한 밀접하게 변화를 처리하도록 설계된다. 특히, Q1과, 한쌍의 Q2 및 Q3의 결합은 노드(OUTb)의 최대 편차를 규정한다. 이 성분들을 가진 브랜치와 관련한 전류는 이 성분들의 특성 변화가 기준 브랜치(30)에 의해 반영될 수 있도록 기준 브랜치(30)에 반영된다. 트랜지스터(M1 및 M2)는 OUT의 전압에 대해 OUTb의 전압으로 이동시키기 위해 상부 및 하부 저항 쌍(R1-R2, R3-R4)을 효과적으로 쇼트하는 CMOS 컨버터를 형성한다. 전류는 컨버터(10)에 연결된 다음의 회로 단에 베이스 구동을 제공하고 또한 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터에서 충전/방전 효과를 최소화하기 위해 항상 브랜치(20)에서 유지된다. 선택 저항(R7 및 R8)은 인에이블되지 않을 때 컨버터(10)가 플로팅하도록 하는데 이용 될 수 있다.

본 발명은 논리 레벨 컨버터의 두 상보형 출력중 한 출력을 고정된 기준 신호로 설정해서, MOS-레벨 신호를 최소 전달 지연과 작은 왜곡을 가진 ECL-레벨 신호로 변환하는 논리 레벨 컨버터를 얻고, 또한 온도, 제조 및 Vcc 변화에 비교적 무관하고 제조가 간단하며 과도한 칩 공간을 차지하지 않는 논리 레벨 컨버터를 얻는다.

본 발명은 특정한 실시예와 관련하여 기술하였지만, 다음의 청구항의 범위내에서 모든 변경 및 등가물을 포함하도록 의도하고 있다.

Claims

입력 노드에 인가된 논리 하이와 논리 로우와 관련한 전압의 특정 영역을 가진 단일 스위치 가능한 입력 신호가 한쌍의 출력 노드에 인가되는 한 쌍의 상보형 출력 신호로 변환되는데, 상기 한 쌍의 상보형 출력신호는 제1의 출력 신호 및 제2의 출력 신호를 지니며, 또한 상기 한 쌍의 상보형 출력 신호가 상기 입력 신호와 관련한 전압의 영역보다 작은 논리 하이 및 논리 로우와 관련한 전압의 영역 내에 있는 경우, 하나의 입력 노드와, 제1의 출력 노드 및 제2의 출력 노드를 지닌 한 쌍의 출력노드를 갖는 논리 레벨 컨버터에 있어서,

a. 상기 입력 노드에 연결된 입력, 고-전압 전력 레일에 연결된 고-전압 노드, 저-전압 전력 레일에 연결된 저-전압 노드, 및 상기 제1의 출력 노드에 연결된 출력을 갖는 제1의 컨버터 브랜치; 및

b. 상기 고-전압 전력 레일에 연결된 고-전압 노드, 상기 저-전압 전력 레일에 연결된 저-전압 노드, 및 상기 제2의 출력 노드에 연결된 출력을 갖는 제2의 컨버터 브랜치를 포함하고,

상기 제1의 컨버터 브랜치의 출력과 관련한 전압이 상기 입력 신호 전압의 변화에 의해 스위치되고, 또한 상기 제2의 컨버터 브랜치의 출력은 상기 입력 신호 전압의 변화에 무관한 고정된 선택 가능한 전압으로 존재하고, 상기 고정된 선택 가능한 전압은 상기 제1의 컨버터 브랜치의 스위칭 출력 전압과 관련한 전압의 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제1항에 있어서,

a. 상기 입력노드에 연결된 입력과 상기 고-전압 전력 레엘에 연결된 고-전압 노드를 갖는 제1의 스위치, 입력노드에 연결된 입력과 상기 저-전압 전력 레일에 연결된 저-전압 노드를 갖는 제2의 스위치; 및

b. 제2의 전압 강하 요소에 대해 상기 제1의 스위치와 병렬로 연결된 제1의 전압 강하 요소 및 제4의 전압 강하 요소에 대해 상기 제2의 스위치와 병렬로 연결된 제3의 전압 강하 요소를 포함하고,

상기 제2의 전압 강하 요소의 저-전압 노드는 상기 제4의 전압 강하 요소의 고-전압 노드에 연결되고, 상기 제4의 전압 강하 요소의 고-전압 노드는 상기 제1의 출력 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제2항에 있어서,

상기 제1의 스위치는 PMOS 트랜지스터이고, 상기 제2의 스위치는 NMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제3항에 있어서,

상기 제1의 전압 강하 요소는 제1의 저항 소자, 상기 제3의 전압 강하 요소는 제2의 저항 소자, 상기 제2의 전압 강하 요소는 제1의 다이오드 소자, 및 상기 제4의 전압 강하 요소는 제2의 다이오드 소자인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제4항에 있어서,

상기 제1의 저항 소자 및 제2의 저항 소자는 각각 직렬로 서로 연결된 한 쌍의 저항기인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제5항에 있어서,

상기 제1의 다이오드 소자는 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터이고 상기 제2의 다이오드 소자는 직렬로 서로 연결된 한 쌍의 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제6항에 있어서,

상기 제2의 컨버터 브랜치는 상기 고-전압 전력 레일에 연결된 고-전압 노드와 상기 컨버터의 제2의 출력 노드에 연결된 저-전압 노드를 갖는 제1의 전압 강하 부, 및 상기 저-전압 전력 레일에 연결된 저-전압 노드와 상기 제1의 전압 강하 부의 저-전력 노드와 상기 제2의 출력 노드에 연결된 고-전압 노드를 갖는 제2의 전압 강하 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제7항에 있어서,

상기 제1의 전압 강하 부는 제1의 저항 소자와 직렬로 연결된 제1의 다이오드 소자를 포함하고, 또한 상기 제2의 전압 강하 부는 제2의 다이오드 소자와 직렬로 연결된 제2의 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제8항에 있어서,

상기 제2의 컨버터 브랜치의 제1 및 제2의 저항 소자는 저항기이고, 상기 제1의 다이오드 소자는 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터이고, 또한 상기 제2의 다이오드 소자는 직렬로 서로 연결된 한 쌍의 다이오드-권선된 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제9항에 있어서,

상기 제1의 컨버터 브랜치의 제1의 다이오드 소자 및 상기 제2의 컨버터 브랜치의 제1의 다이오드 소자는 실질적으로 동일한 전기적 특성을 가지며, 또한 상기 제1의 컨버터 브랜치의 제2의 다이오드 소자 및 상기 제2의 컨버터 브랜치의 제2의 다이오드 소자는 실질적으로 동일한 전기적인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제10항에 있어서,

상기 제1의 컨버터 브랜치의 제2의 저항 소자 및 상기 제2의 컨버터 브랜치의 제2의 저항 소자는 동일하지 않은 전압 강하를 제공하는 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.
제4항에 있어서,

상기 다이오드 소자 모두는 다이오드-접속된 MOSFET이고 또한 상기 저항 모두는 긴-채널 MOSFET인 것을 특징으로 하는 논리 레벨 컨버터.