KR100774459B1

KR100774459B1 - 레벨 쉬프터

Info

Publication number: KR100774459B1
Application number: KR1020060022867A
Authority: KR
Inventors: 안태준
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-11-08
Also published as: KR20070092557A

Abstract

본 발명은 레벨 쉬프터에 관한 것으로, 특히 절전 기능의 동작으로 낮은 구동전압이 입력되어도 출력단자의 레벨을 유지할 수 있도록 하는데 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 2개의 출력단자를 구비한 레벨 쉬프터에 있어서, 입력신호에 따라 상기 2개의 출력단자 중 하나를 풀업 구동하는 풀업 구동부와, 입력신호에 따라 상기 2개의 출력단자 중 하나를 풀다운 구동하는 제1 풀다운 구동부와, 정상 동작 시에 오프 상태를 유지하고, 절전 동작 시에 상기 2개의 출력단자의 레벨 상태를 유지시키는 제2 풀다운 구동부를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

레벨 쉬프터{LEVEL SHIFTER}

도1은 종래 기술에 따른 레벨 쉬프터의 회로도.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 레벨 쉬프터의 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

PM21,PM22 : 피모스 트랜지스터 NM21~NM26 : 엔모스 트랜지스터

INV21,INV22 : 인버터

본 발명은 반도체 회로에 관한 것으로, 특히 레벨 쉬프터에 관한 것이다.

일반적으로 레벨 쉬프터는 필요에 따라 기준 전압보다 높거나 낮은 전압을 생성하기 위해 서로 다른 전압 레벨의 전원전압을 사용하는 회로가 연결되는 부분에서 전압레벨을 변환하기 위해 사용하는 장치이다.

특히, 레벨 쉬프터는 반도체 메모리의 워드라인 드라이버 또는 블럭 셀력션회로 등에 많이 사용된다.

반도체 메모리의 셀 트랜지스터는 누설전류를 줄이기 위하여 다른 노멀 트랜지스터 보다 상대적으로 큰 임계전압(Threshold Voltage)을 갖도록 설계한다. 셀 트랜지스터가 턴온되면 셀 캐패시터에 저장되어 있던 전하가 비트라인(또는 비트바 라인)에 실리거나(read 동작), 반대로 비트라인(또는 비트바 라인)으로부터 셀 캐패시터로 전달된다(write 동작).

이때, 셀 트랜지스터의 큰 임계전압에 의해 비트라인의 전압레벨이 충분히 상승하지 못하여 센스앰프가 이를 검출하지 못할 수도 있다. 이러한 문제는 메모리 셀 뿐만 아니라 데이타 입출력버스라인 등과 같은 반도체 메모리의 많은 부분에서 발생한다. 상기 문제를 해결하기 위해 워드라인의 활성화 전압레벨을 전원전압(Vcc) 보다 높은 내부 승압전압(Vpp)을 사용하여 워드라인을 구동한다.

그러나, 내부 승압전압(Vpp)은 전원전압(Vcc)에 의해 공급되는 전하를 축적하여 발생시키므로, 전원전압(Vcc)처럼 많은 량의 전력을 공급하는 것이 어렵다. 따라서 저소비 전력을 구현하기 위해서는 내부 승압전압(Vpp)을 가능한 한 적게 사용하는 것이 바람직하다.

내부 승압전압(Vpp)의 소비를 억제하기 위해서는 필요한 경우에만 내부 승압전압(Vpp)이 출력되도록 하고, 필요치 않은 경우에는 내부 승압전압(Vpp)의 발생 및 출력을 억제할 필요가 있다. 이를 위해 레벨 쉬프터가 사용된다.

도1은 종래의 레벨 쉬프터의 회로도로서 이에 도시된 바와 같이, 인버터(INV1)(INV2)와, 엔모스 트랜지스터(NM1)(NM2)와, 피모스 트랜지스터(PM1)(PM2)를 포함하여 구성된다.

입력신호(INPUT)를 반전시키는 인버터(INV1)의 출력단자는 엔모스 트랜지스터(NM1)의 게이트에 연결되고, 상기 인버터(INV1)의 출력신호를 반전시키는 인버터 (INV2)의 출력단자는 엔모스 트랜지스터(NM2)의 게이트에 연결된다.

상기 피모스 트랜지스터(PM1)와 피모스 트랜지스터(PM2)의 소오스는 내부 전압(VDD)에 연결된다.

상기 피모스 트랜지스터(PM1)의 드레인은 엔모스 트랜지스터(NM1)의 드레인과 공통으로 연결되고, 상기 엔모스 트랜지스터(NM1)의 소오스는 접지된다. 상기 피모스 트랜지스터(PM2)의 드레인은 엔모스 트랜지스터(NM2)의 드레인과 공통으로 연결되고 상기 엔모스 트랜지스터(NM2)의 소오스는 접지된다.

또한, 상기 피모스 트랜지스터(PM1)의 게이트는 피모스 트랜지스터(PM2)와 엔모스 트랜지스터(NM2)의 드레인에 공통 연결되고, 상기 피모스 트랜지스터(PM2)의 게이트는 피모스 트랜지스터(PM1)와 엔모스 트랜지스터(NM1)의 드레인에 공통 연결된다.

상기 피모스 트랜지스터(PM1)와 엔모스 트랜지스터(NM1)의 공통 드레인은 출력단자(out-A)에 연결되고, 상기 피모스 트랜지스터(PM2)와 엔모스 트랜지스터(NM2)의 공통 드레인은 출력단자(out-B)에 연결되며, 상기 출력단자(out-A)(out-B)의 레벨은 VDD 전압 또는 GND 전압으로 출력된다.

상기 인버터(INV1)(INV2)에 인가되는 구동전압(Vcc)은 정상동작 시에 2.8V이고 절전모드에서 1.5V가 인가되다가 오프된다.

상기 피모스 트랜지스터(PM1)(PM2)의 소스 단자에 인가되는 전압(VDD)은 5V이다.

이와같이 구성된 종래의 레벨 쉬프터에 대한 동작을 설명하면 다음과 같다.

입력신호(INPUT)는 인버터(INV1)를 통해 반전되고 그 반전된 신호는 인버터(INV2)를 통해 다시 반전된다.

예를 들어, 입력신호(INPUT)가 접지전압(GND) 레벨에서 고전위(Vcc) 레벨로 바뀌면, 인버터(INV1)의 출력단자의 전위는 고전위(Vcc) 레벨에서 접지전압(GND) 레벨로 바뀌게 되며, 인버터(INV2)는 상기 접지전압(GND) 레벨의 신호를 반전하므로 엔모스 트랜지스터(NM2)의 게이트 전위는 고전위(Vcc) 레벨로 바뀌게 된다.

이때, 엔모스 트랜지스터(NM2)의 게이트 전위가 접지전압(GND) 레벨에서 고전위(Vcc) 레벨로 바뀌므로 상기 엔모스 트랜지스터(NM2)가 턴온되어, 출력단자(out-B)의 전위는 풀다운 구동에 의해 내부전압(VDD) 레벨에서 접지전압(GND) 레벨로 바뀌게 된다.

이에 따라, 엔모스 트랜지스터(NM2)의 턴온에 의해 출력단자(out-B)의 전위가 접지전압(GND) 레벨이 되므로 피모스 트랜지스터(PM1)가 턴온되고, 상기 피모스 트랜지스터(PM1)의 턴온에 의해 출력단자(out-A)의 전위가 내부 전압(VDD) 레벨이 되어 피모스 트랜지스터(PM2)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.

반대로, 입력신호(INPUT)가 고전위(Vcc) 레벨에서 접지전압(GND) 레벨로 바뀌면 인버터(INV1)의 출력단자 전위는 고전위(Vcc) 레벨로 천이되고, 인버터(INV2)의 출력단자 전위는 접지전압(GND) 레벨로 천이된다.

이때, 인버터(INV1)의 출력단자의 고전위(Vcc) 신호에 의해 엔모스 트랜지스터(NM1)가 턴온되고, 인버터(INV2)의 출력단자의 접지전압(GND) 전위에 의해 엔모스 트랜지스터(NM2)가 턴오프된다.

이에 따라, 상기 엔모스 트랜지스터(NM1)의 턴온에 의해 출력단자(out-A)의 전위가 접지전압(GND) 레벨로 되므로 상기 접지전압(GND)이 게이트 단자에 인가되는 피모스 트랜지스터(PM2)가 턴온되어 출력단자(out-B)의 전위가 내부 전압(VDD) 레벨로 천이되고, 상기 출력단자(out-B)의 내부전압(VDD)이 게이트 단자에 인가된 피모스 트랜지스터(PM1)는 턴오프되어 상기 출력단자(out-A)의 전위는 접지전압(GND) 레벨을 유지하게 된다.

즉, 도1의 레벨 쉬프터는 입력신호의 레벨이 변경될 때마다 상기 동작을 수행함으로써 소정 전압 레벨(Vcc 또는 GND)의 입력신호(INPUT)를 입력받아 출력단자(out-A)(out-B)의 레벨을 VDD 전압 또는 GND 전압으로 출력시키는 역할을 수행하는 것이다.

최근 생산되는 0.18

공정의 칩에는 딥 스탠바이 모드(deep standby mode)라는 절전 기능이 구비되는데, 이는 칩이 동작할 필요가 없을 때 칩에서 소비하는 전력(power)을 줄이기 위해 아날로그 회로의 소비 전력을 최소화하고 디지털 회로의 소비 전력을 오프시키는 것이다.

그런데, 종래의 레벨 쉬프터에 구비되는 인버터의 전원전압은 2.8V이지만, 최근 0.18

공정으로 생산되는 저전압 트랜지스터의 전압은 기본적으로 1.5V~1.8V를 사용하게 되었다. 이는 디지털 회로와 메모리에서 낮은 전압을 사용함으로써 전류소모를 줄이기 위한 것이다.

즉, 디지털 회로를 사용하지 않을 때에는 1.5V~1.8V의 Vcc를 생성하는 아날로그 회로를 파워 다운시켜서 디지털 회로에서 소모하는 전류를 차단해 버리는 동작을 하는 것이다.

그러나, 종래의 레벨 쉬프터는 디지털 회로를 사용하지 않을 때 그 디지털 회로의 동작 전원을 생성하는 아날로그 회로를 파워 다운시키면 레벨 쉬프터의 출력신호를 입력받아 동작하는 아날로그 회로에 문제가 발생된다.

다시 말하면, 도1의 레벨 쉬프터의 동작을 살펴보면, 딥 스탠바이 모드로 동작되어 전압(Vcc)이 1.5V로 인가되면 출력단자(out-A)에서는 VDD 값이 출력되고 출력단자(out-B)에서는 GND 값이 출력되는데, 상기 출력단자(out-A)(out-B)의 출력전압으로 아날로그 회로를 컨트롤하게 된다.

그런데, 이때 디지털 전원인 1.5V의 전압(VCC)이 오프되면 양단의 트랜지스터(NM1)(NM2)의 게이트에 입력되는 전압 레벨이 GND가 되고, 전압(VDD) 레벨의 출력단자(out-A)는 상기 트랜지스터(NM1)가 계속 턴오프 상태이기 때문에 전압(VDD) 레벨로 유지하게 된다.

하지만, 출력단자(out-B)는 트랜지스터(NM2)가 턴오프되기 때문에 전압(VDD) 레벨을 유지하지 못하고 전압(VDD)와 GND 값의 중간값으로 된다.

따라서, 종래 레벨 쉬프터는 딥 스탠바이 모드로 동작되면 출력단자(out-B)의 전압 레벨이 VDD와 GND의 중간값이 되어 상기 출력단자(out-B_)에 의해 컨트롤되는 아날로그 회로의 트랜지스터에 동작 가능한 전압이 입력되게 됨으로 오동작이 발생되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 절전 기능의 동작으로 낮은 구동전압이 입력되어도 출력단자의 레벨을 유지할 수 있도록 창안한 레벨 쉬프터를 제공하는데 목적이 있다.

즉, 본 발명은 절전기능으로 입력전압의 레벨이 변경되어도 출력단자의 전압 레벨을 유지시키도록 함에 목적이 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 2개의 출력단자를 구비한 레벨 쉬프터에 있어서, 입력신호에 따라 상기 2개의 출력단자 중 하나를 제1 전압으로 풀업 구동하는 풀업 구동부와, 제2 전압을 구동전압으로 하여 입력신호에 따라 상기 2개의 출력단자 중 하나를 풀다운 구동하는 제1 풀다운 구동부와, 정상 동작 시에 오프 상태를 유지하고, 절전 동작 시에 제3 전압에 의해 동작하여 상기 2개의 출력단자의 레벨 상태를 유지시키는 제2 풀다운 구동부를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 제2 풀다운 구동부는 각각의 출력단자와 접지단자 사이에 2개의 엔모스 트랜지스터를 직렬 연결하고, 절전 동작 시에 각각의 엔모스 트랜지스터의 게이트 단자에 제3 전압과 상기 출력단자 전압이 인가되도록 구성함으로써 절전모드에서 입력전압의 레벨이 변경되어도 상기 2개의 출력단자의 전압 레벨을 유지할 수 있도록 함에 특징이 있다.

제2 전압은 절전 동작 시에 2.8V에서 1.5V로 다운된 후 오프되며, 제3 전압은 절전 동작 시에 오프 상태에서 2.8V로 인가되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 0.18

공정으로 제작한 레벨 쉬프터에 있어서, 소모 전력을 줄이기 위해 디지털 회로에 사용하는 전압(1.5V~1.8V)을 다운시켰을 때 아날로그 회로에 비정상적인 전압이 인가되는 문제점을 개선함으로써 상기 1.5V~1.8V의 전압이 다운되어 레벨 쉬프터 내의 인버터가 오동작하여도 아날로그 회로에 인가되는 출력단자의 전압값을 유지시키도록 하는 것이다.

이하, 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 기술적 구성요지는 바람직한 실시 예에서 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 구체적인 처리 흐름과 같은 많은 특정 상세 설명들을 기재함은 물론 도면을 첨부하여 본 발명에 대한 전반적인 이해를 돕기로 한다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도2는 본 발명의 실시 예를 위한 장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 풀업 구동부로 동작하는 피모스 트랜지스터(PM21)(PM22)와, 제1 풀다운 구동부로 동작하는 인버터(INV21)(INV22) 및 엔모스 트랜지스터(NM21)(NM22)와, 제2 풀다운 구동부로 동작하는 엔모스 트랜지스터(NM23~NM26)를 포함하여 구성한다.

본 발명의 실시 예는 상기 인버터(INV21)(INV22)와, 피모스 트랜지스터(PM21)(PM22)와, 엔모스 트랜지스터(NM21)(NM22)를 이용하여 도1의 회로와 동일하게 구성하며, 아울러 출력단자(out-A)와 접지단자(GND) 사이에 전압(VB)이 게이트 단자에 인가된 엔모스 트랜지스터(NM23)와 출력단자(out-B) 전압이 게이트 단자에 인가된 엔모스 트랜지스터(NM24)를 직렬 연결하고, 출력단자(out-B)와 접지단자 (GND) 사이에 전압(VB)이 게이트 단자에 인가된 엔모스 트랜지스터(NM25)와 출력단자(out-A) 전압이 게이트 단자에 인가된 엔모스 트랜지스터(NM26)를 직렬 연결하여 구성한다.

상기 인버터(INV21)(INV22)의 동작전원(Vcc)은 정상동작의 경우 2.8V가 인가되고, 절전모드의 경우 1.5V가 인가된다.

상기 전압(VB)은 절전모드에 의해 동작전원(Vcc)이 1.5V로 인가되다가 오프(off)될 때 2.8V가 인가된다.

이와 같이 구성한 본 발명의 실시 예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

우선, 전압(Vcc)이 2.8V로 입력되는 경우 인버터(INV21)(INV22)가 입력신호(INPUT)를 순차적으로 반전하여 엔모스 트랜지스터(NM21)(NM22)의 게이트 단자에 인가하게 된다. 단, Vcc<VDD이다.

이때, 전압(VB)이 접지전압(GND) 레벨이므로 엔모스 트랜지스터(NM23)(NM25)는 턴오프 상태를 유지한다.

따라서, 입력신호(INPUT)가 하이신호로 입력되면 엔모스 트랜지스터(NM21)가 턴오프되고 엔모스 트랜지스터(NM22)가 턴온되며 아울러 피모스 트랜지스터(PM21)가 턴온되고 피모스 트랜지스터(PM22)가 턴오프된다.

이에 따라, 출력단자(out-A)는 턴온된 피모스 트랜지스터(PM21)에 의해 VDD 레벨이 되고, 출력단자(out-B)는 피모스 트랜지스터(PM22)의 턴오프 및 엔모스 트랜지스터(NM22)의 턴온에 의해 GND 레벨이 된다.

반대로, 입력신호(INPUT)가 로우신호로 입력되면 출력단자(out-A)는 GND 레벨이 되고 출력단자(out-B)는 VDD 레벨이 된다.

만일, 절전모드로 동작되어 전압(Vcc)이 1.5V로 입력되면 입력신호(INPUT)도 1.5V가 되며, 인버터(INV21)의 출력신호에 의해 엔모스 트랜지스터(NM21)가 턴오프되고 인버터(INV22)의 출력신호에 의해 엔모스 트랜지스터(NM22)가 턴온된다.

따라서, 피모스 트랜지스터(PM21)가 턴온되어 출력단자(out-A)의 신호가 VDD 레벨로 출력되고 피모스 트랜지스터(PM22)의 턴오프 및 엔모스 트랜지스터(NM22)의 턴온에 의해 출력단자(out-B)의 신호가 GND 레벨로 출력된다.

이후, 1.5V의 전압(Vcc)이 오프되면 인버터(INV21)(INV22)의 동작이 오프되어 엔모스 트랜지스터(NM21)(NM22)가 턴오프 상태가 되지만, 출력단자(out-A)는 VDD 레벨 상태이고 출력단자(out-B)는 GND 레벨 상태이다.

이때, 전압(VB)이 2.8V로 엔모스 트랜지스터(NM23)(NM25)의 게이트 단자에 인가되므로 상기 엔모스 트랜지스터(NM23)(NM25)가 턴온된다.

따라서, 출력단자(out-A)의 레벨이 VDD이고 출력단자(out-B)의 레벨이 GND임으로 엔모스 트랜지스터(NM26)가 턴온되고 엔모스 트랜지스터(NM24)가 턴오프된다.

이에 따라, 엔모스 트랜지스터(NM25)(NM26)의 턴온에 의해 피모스 트랜지스터(PM21)가 턴온 상태를 유지하므로 출력단자(out-A)가 VDD 레벨을 유지하고, 엔모스 트랜지스터(NM24)의 턴오프에 의해 피모스 트랜지스터(PM22)가 턴오프 상태를 유지하므로 출력단자(out-B)가 GND 레벨을 유지하게 된다.

한편, 상기에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니라 본 발명과 관련된 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 딥 스탠바이 모드의 절전 기능이 동작되면 출력단자의 레벨 상태를 유지시킴으로써 출력단자에 연결된 아날로그 회로의 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 절전 기능이 동작되면 출력단자의 전압 레벨을 디지털 블록의 파워가 오프될 때의 값으로 유지시켜 종래에 발생하였던 문제점을 해소시킬 수 있는 것이다.

Claims

2개의 출력단자를 구비한 레벨 쉬프터에 있어서,

상기 2개의 출력단자 전압에 따라 상기 2개의 출력단자 중 하나를 제1 전압으로 풀업 구동하는 풀업 구동부와,

입력신호를 제2 전압으로 구동하여 상기 2개의 출력단자 중 하나를 풀다운 구동하는 제1 풀다운 구동부와,

절전 동작 시에 제3 전압과 상기 출력단자 전압에 따라 상기 2개의 출력단자의 레벨 상태를 유지시키는 제2 풀다운 구동부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터. 단, 상기에서 제1 전압>제2,제3 전압.
제1항에 있어서, 상기 풀업 구동부는

제1 전압과 제1 출력단자 사이에 접속되어, 게이트에 제2 출력단자 전압이 인가되는 제1 풀업 트랜지스터와,

제1 전압과 제2 출력단자 사이에 접속되어, 게이트에 제1 출력단자 전압이 인가되는 제2 풀업 트랜지스터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서, 상기 제1 풀다운 구동부는

제2 전압에 구동되어 입력신호를 순차적으로 반전시키는 제1,제2 인버터와,

제1 출력단자와 접지단자 사이에 접속되고 게이트에 상기 제1 인버터의 출력신호가 인가되는 제1 엔모스 트랜지스터와,

제2 출력단자와 접지 단자 사이에 접속되고 게이트에 상기 제2 인버터의 출력신호가 인가되는 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 전압은 절전 동작 시에 2.8V에서 1.5V로 변경된 후 오프되는 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제2항에 있어서, 상기 제2 풀다운 구동부는

제1,제2 출력단자 각각과 접지단자 사이에 적어도 하나 이상의 풀다운 트랜지스터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제2 풀다운 구동부는

제1 출력단자와 접지단자 사이에 접속되고 게이트에 제2 출력단자가 접속되는 제1 엔모스 트랜지스터와,

제2 출력단자와 접지단자 사이에 접속되고 게이트에 제1 출력단자가 접속되는 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제6항에 있어서, 상기 제1 출력단자와 상기 제1 엔모스 트랜지스터 사이에 접속되고 게이트에 제3 전압이 인가되는 제3 엔모스 트랜지스터와,

상기 제2 출력단자와 상기 제2 엔모스 트랜지스터 사이에 접속되고 게이트에 제3 전압이 인가되는 제4 엔모스 트랜지스터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.
제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 제3 전압은

절전 동작 시에 오프 상태에서 2.8V로 인가되는 것을 특징으로 하는 레벨 쉬프터.