KR102648236B1 - Level Shifter with Improved Power Efficiency and Input Voltage Range - Google Patents

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하현수
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Abstract

에너지 효율 및 입력전압의 범위를 개선한 레벨 시프터를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터는, 입력신호(IN)의 전압 레벨에 따라 출력신호(OUT)의 전압 레벨을 변환하여 출력하는 레벨 시프터에 있어서, 제1 전원전압에 연결된 입력신호(IN)를 입력 받고, 상기 입력신호의 전압 레벨에 대응되도록 전압 레벨을 조정하여 상기 출력신호(OUT)를 출력하는 레벨 시프팅부; 및 상기 입력신호(IN)의 전압 레벨 변환 시 상기 출력신호(OUT)의 전압 레벨 변환을 위하여 상기 레벨 시프팅부에 포함된 일부 트랜지스터의 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 전달하는 제어신호 생성부를 포함할 수 있다.
A level shifter with improved energy efficiency and input voltage range is disclosed.
The level shifter according to an embodiment of the present invention converts the voltage level of the output signal (OUT) according to the voltage level of the input signal (IN) and outputs the input signal (IN) connected to the first power supply voltage. a level shifting unit that receives input, adjusts the voltage level to correspond to the voltage level of the input signal, and outputs the output signal (OUT); and a control signal generator that generates and transmits a control signal that controls the operation of some transistors included in the level shifting unit to convert the voltage level of the output signal (OUT) when converting the voltage level of the input signal (IN). can do.

Description

에너지 효율 및 입력전압의 범위를 개선한 레벨 시프터{Level Shifter with Improved Power Efficiency and Input Voltage Range}Level Shifter with Improved Power Efficiency and Input Voltage Range}

본 발명은 에너지 효율 및 입력전압의 범위를 개선한 레벨 시프터에 관한 것이다.The present invention relates to a level shifter with improved energy efficiency and input voltage range.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section simply provides background information on embodiments of the present invention and does not constitute prior art.

휴대폰, 컴퓨터, 자율주행 자동차 등 최첨단 시스템의 사용 증가로 집적회로의 사용이 늘어나고 있다. 레벨 시프터(Level Shifter)는 집적회로 내부 블록(block) 간의 연결에 사용되는 중요 부품 중 하나이며, 집적 회로 내부 블록들의 다양한 전압을 사용 가능하게 해주는 주요 부품이다.The use of integrated circuits is increasing due to the increased use of cutting-edge systems such as mobile phones, computers, and self-driving cars. A level shifter is one of the important components used in the connection between blocks within an integrated circuit, and is a key component that enables the use of various voltages of the blocks within the integrated circuit.

일반적인 레벨 시프터는 스태틱 전류(Static current)가 흐르게 되는 문제, 풀 스윙(Full swing)이 불가능한 문제, 플로팅 하이(Floating High)인 상태가 되는 문제 등이 발생한다. 또한, 일반적인 레벨 시프터는 입력전압의 범위가 일정 수준 이하인 저전압에서는 정상적으로 동작하지 않는 문제점이 있다.General level shifters have problems such as static current flowing, full swing being impossible, and floating high state. In addition, general level shifters have a problem in that they do not operate normally at low voltages where the input voltage range is below a certain level.

본 발명은 기존 레벨 시프터들의 문제점을 해결하여 저전압인 입력 전압을 고전압으로 바꿀 때만 에너지를 사용하고, 낮은 전압의 입력에서도 고전압으로 전환이 가능한 에너지 효율 및 입력전압의 범위를 개선한 레벨 시프터를 제공하는 데 주된 목적이 있다.The present invention solves the problems of existing level shifters and provides a level shifter that uses energy only when changing a low-voltage input voltage to a high voltage and improves energy efficiency and the range of input voltage by enabling conversion from low-voltage input to high voltage. The main purpose is to

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 레벨 시프터는, 입력신호(IN)의 전압 레벨에 따라 출력신호(OUT)의 전압 레벨을 변환하여 출력하는 레벨 시프터에 있어서, 제1 전원전압에 연결된 입력신호(IN)를 입력 받고, 상기 입력신호의 전압 레벨에 대응되도록 전압 레벨을 조정하여 상기 출력신호(OUT)를 출력하는 레벨 시프팅부; 및 상기 입력신호(IN)의 전압 레벨 변환 시 상기 출력신호(OUT)의 전압 레벨 변환을 위하여 상기 레벨 시프팅부에 포함된 일부 트랜지스터의 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 전달하는 제어신호 생성부를 포함할 수 있다. According to one aspect of the present invention, the level shifter for achieving the above object is a level shifter that converts the voltage level of the output signal (OUT) according to the voltage level of the input signal (IN) and outputs the first power supply voltage. A level shifting unit that receives an input signal (IN) connected to and outputs the output signal (OUT) by adjusting the voltage level to correspond to the voltage level of the input signal; and a control signal generator that generates and transmits a control signal that controls the operation of some transistors included in the level shifting unit to convert the voltage level of the output signal (OUT) when converting the voltage level of the input signal (IN). can do.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 레벨 시프터는 기존의 다른 여러 레벨 시프터에서 발생하는 스태틱 전류(Static current), 풀 스윙(Full swing), 플로팅(Floating) 등의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다. As described above, the level shifter of the present invention is effective in solving problems such as static current, full swing, and floating that occur in various other existing level shifters.

또한, 본 발명의 레벨 시프터는 에너지 효율적이며 저전압에서도 레벨 시프팅(Level Shifting)이 가능한 효과가 있다. 이에, 본 발명의 레벨 시프터 구조를 저전압을 사용하는 블록(block)에 사용 가능하고, 이는 집적회로의 에너지 효율성을 증가 시켜줄 수 있으며 동작 속도를 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the level shifter of the present invention is energy efficient and allows level shifting even at low voltage. Accordingly, the level shifter structure of the present invention can be used in blocks that use low voltage, which can increase the energy efficiency of the integrated circuit and improve operating speed.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 상승 전환 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 하강 전환 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호 생성부의 동작을 설명하기 위한 제4 PMOS 트랜지스터를 제거한 레벨 시프터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호에 의한 레벨 시프터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 장점을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터에서의 트랜지스터 스택 및 FinFET 사이즈를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 동작을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터와 종래의 레벨 시프터 간의 에너지 소모를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 몬테 카를로 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터와 종래의 다수의 레벨 시프터와의 지연 정도를 비교 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a circuit diagram showing a level shifter according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram for explaining the upward switching operation of the level shifter according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining a downward transition operation of a level shifter according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a level shifter with the fourth PMOS transistor removed to explain the operation of the control signal generator according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram for explaining the operation of a level shifter by a control signal according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram for explaining the advantages of a level shifter according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B are diagrams showing the transistor stack and FinFET size in the level shifter according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the operation of a level shifter according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the results of comparing energy consumption between a level shifter according to an embodiment of the present invention and a conventional level shifter.
Figure 10 is a diagram showing the results of Monte Carlo simulation according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is a diagram showing the results of comparing the degree of delay between a level shifter according to an embodiment of the present invention and a number of conventional level shifters.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명에서 제안하는 에너지 효율 및 입력전압의 범위를 개선한 레벨 시프터에 대해 자세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, preferred embodiments of the present invention will be described below, but the technical idea of the present invention is not limited or restricted thereto, and of course, it can be modified and implemented in various ways by those skilled in the art. Hereinafter, the level shifter with improved energy efficiency and input voltage range proposed in the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명에 따른 레벨 시프터(Level Shifter)는 CPU(Central Processing Unit), SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등의 제품에 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 레벨 시프터는 휴대폰, 무선 이어폰, IoT 가전제품, 컴퓨터, 자율주행 자동차 등의 제품에 일부 응용될 수 있다.The level shifter according to the present invention can be applied to products such as CPU (Central Processing Unit), SRAM (Static Random Access Memory), and DRAM (Dynamic Random Access Memory). Additionally, the level shifter according to the present invention can be partially applied to products such as mobile phones, wireless earphones, IoT home appliances, computers, and self-driving cars.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a level shifter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 CMLS(Current Mirror Based Level Shifter)에서 스태틱 전류(Static current)를 차단하여 레벨 시프팅(Level Shifting) 동작 시에만 에너지를 소모하며 저전압에서도 레벨 시프팅(Level Shifting) 가능한 구조에 관한 회로이다. The level shifter 10 according to an embodiment of the present invention blocks static current in CMLS (Current Mirror Based Level Shifter), consumes energy only during level shifting operation, and can level shift even at low voltage. (Level Shifting) This is a circuit regarding possible structures.

본 발명에 따른 레벨 시프터(10)는 스태틱 전류(Static current)를 차단하며 다양한 레벨 시프터(Level Shifter) 문제를 해결하기 위해, 레벨 시프팅부(100) 및 제어신호 생성부(200)를 포함한다. 레벨 시프팅부(100)는 레벨 시프팅을 수행하는 회로이고, 제어신호 생성부(200)는 레벨 시프팅부(100)로 전달하는 제어신호(Y 신호)를 생성하는 회로이다. The level shifter 10 according to the present invention blocks static current and includes a level shifting unit 100 and a control signal generating unit 200 to solve various level shifter problems. The level shifting unit 100 is a circuit that performs level shifting, and the control signal generating unit 200 is a circuit that generates a control signal (Y signal) transmitted to the level shifting unit 100.

본 실시예에 따른 레벨 시프팅부(100)는 제1 전원전압(VDDL)에 연결된 입력신호(IN)를 입력 받고, 입력신호의 전압 레벨에 대응되도록 출력신호(OUT)의 전압 레벨을 조정하여 전압 레벨이 조정된 출력신호(OUT)를 출력한다. The level shifting unit 100 according to this embodiment receives the input signal (IN) connected to the first power supply voltage (VDDL), and adjusts the voltage level of the output signal (OUT) to correspond to the voltage level of the input signal. Outputs the level-adjusted output signal (OUT).

레벨 시프팅부(100)는 적어도 2 개의 NMOS 트랜지스터 및 적어도 4 개의 PMOS 트랜지스터를 포함한다. 구체적으로, 레벨 시프팅부(100)는 제1 NMOS 트랜지스터(110) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)를 포함하는 적어도 2 개의 NMOS 트랜지스터와 제1 PMOS 트랜지스터(130), 제2 PMOS 트랜지스터(140), 제3 PMOS 트랜지스터(150) 및 제4 PMOS 트랜지스터(160)를 포함하는 적어도 4 개의 PMOS 트랜지스터로 구성될 수 있다. The level shifting unit 100 includes at least two NMOS transistors and at least four PMOS transistors. Specifically, the level shifting unit 100 includes at least two NMOS transistors including the first NMOS transistor 110 and the second NMOS transistor 120, the first PMOS transistor 130, the second PMOS transistor 140, It may be composed of at least four PMOS transistors including the third PMOS transistor 150 and the fourth PMOS transistor 160.

레벨 시프팅부(100)는 제2 전원전압(VDDH)과 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인이 병렬로 연결된다. 제1 연결 라인에는 제2 PMOS 트랜지스터(140), 제1 PMOS 트랜지스터(130) 및 제1 NMOS 트랜지스터(110)가 직렬 연결된다. 또한, 제2 연결 라인에는 제3 PMOS 트랜지스터(150), 제4 PMOS 트랜지스터(160) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)가 직렬 연결된다. The level shifting unit 100 has a second power voltage VDDH, a first connection line, and a second connection line connected in parallel. The second PMOS transistor 140, the first PMOS transistor 130, and the first NMOS transistor 110 are connected in series to the first connection line. Additionally, the third PMOS transistor 150, fourth PMOS transistor 160, and second NMOS transistor 120 are connected in series to the second connection line.

레벨 시프팅부(100)에서, 제1 NMOS 트랜지스터(110)의 게이트는 상기 입력신호를 입력받는 입력노드와 연결되고, 제4 PMOS 트랜지스터(160) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)의 드레인 사이의 접점은 출력신호를 출력하는 출력노드와 연결된다. 또한, 제1 PMOS 트랜지스터(130)의 게이트는 출력신호를 피드백 받기 위하여 출력노드와 연결된다. In the level shifting unit 100, the gate of the first NMOS transistor 110 is connected to the input node that receives the input signal, and the contact point between the drain of the fourth PMOS transistor 160 and the second NMOS transistor 120 is connected to the output node that outputs the output signal. Additionally, the gate of the first PMOS transistor 130 is connected to the output node to receive feedback from the output signal.

레벨 시프팅부(100)에서, 제2 PMOS 트랜지스터(140) 및 제3 PMOS 트랜지스터(150)는 커런트 미러(Current Mirror) 구조를 가지며, 제2 PMOS 트랜지스터(140) 및 제3 PMOS 트랜지스터(150)의 게이트 사이의 제1 미러 노드(X 노드)는 제1 PMOS 트랜지스터(130) 및 제1 NMOS 트랜지스터(110) 사이의 노드와 연결된다. In the level shifting unit 100, the second PMOS transistor 140 and the third PMOS transistor 150 have a current mirror structure, and the second PMOS transistor 140 and the third PMOS transistor 150 have a current mirror structure. The first mirror node (X node) between the gates is connected to the node between the first PMOS transistor 130 and the first NMOS transistor 110.

본 실시예에 따른 제어신호 생성부(200)는 입력신호(IN)의 전압 레벨 변환 시 출력신호(OUT)의 전압 레벨 변환을 위하여 레벨 시프팅부(100)에 포함된 일부 트랜지스터의 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 전달한다. The control signal generator 200 according to this embodiment controls the operation of some transistors included in the level shifting unit 100 to convert the voltage level of the output signal (OUT) when converting the voltage level of the input signal (IN). Generates and transmits control signals.

제어신호 생성부(200)는 레벨 시프팅부(100)의 제4 PMOS 트랜지스터(160) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)의 게이트와 연결되고, 제4 PMOS 트랜지스터(160) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)의 동작 제어를 위한 제어신호를 전달한다. 여기서, 제어신호는 입력신호가 인버팅된 인버팅 신호인 것이 바람직하다. The control signal generator 200 is connected to the gate of the fourth PMOS transistor 160 and the second NMOS transistor 120 of the level shifting unit 100, and the fourth PMOS transistor 160 and the second NMOS transistor 120 ) transmits control signals for operation control. Here, the control signal is preferably an inverting signal obtained by inverting the input signal.

제어신호 생성부(200)는 적어도 3 개의 NMOS 트랜지스터 및 적어도 3 개의 PMOS 트랜지스터를 포함한다. 구체적으로, 제어신호 생성부(200)는 제3 NMOS 트랜지스터(210), 제4 NMOS 트랜지스터(220) 및 제5 NMOS 트랜지스터(230)를 포함하는 적어도 3 개의 NMOS 트랜지스터와 제5 PMOS 트랜지스터(240), 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제7 PMOS 트랜지스터(260)를 포함하는 적어도 3 개의 PMOS 트랜지스터로 구성될 수 있다.The control signal generator 200 includes at least three NMOS transistors and at least three PMOS transistors. Specifically, the control signal generator 200 includes at least three NMOS transistors including a third NMOS transistor 210, a fourth NMOS transistor 220, and a fifth NMOS transistor 230, and a fifth PMOS transistor 240. , may be composed of at least three PMOS transistors including the sixth PMOS transistor 250 and the seventh PMOS transistor 260.

제어신호 생성부(200)는 제2 전원전압과 제3 연결 라인 및 제4 연결 라인이 병렬로 연결된다. 제3 연결 라인에는 제6 PMOS 트랜지스터(250), 제5 PMOS 트랜지스터(240) 및 제3 NMOS 트랜지스터(210)가 직렬 연결된다. 또한, 제4 연결 라인에는 제7 PMOS 트랜지스터(260), 제4 NMOS 트랜지스터(220) 및 제5 NMOS 트랜지스터(230)가 직렬 연결된다.In the control signal generator 200, a second power voltage, a third connection line, and a fourth connection line are connected in parallel. The sixth PMOS transistor 250, the fifth PMOS transistor 240, and the third NMOS transistor 210 are connected in series to the third connection line. Additionally, the seventh PMOS transistor 260, the fourth NMOS transistor 220, and the fifth NMOS transistor 230 are connected in series to the fourth connection line.

제어신호 생성부(200)에서, 제5 PMOS 트랜지스터(240) 및 제3 NMOS 트랜지스터(210)의 게이트는 입력신호를 입력받는 입력노드와 연결되고, 제5 PMOS 트랜지스터(240) 및 제3 NMOS 트랜지스터(210)의 드레인 사이의 접점은 제어신호를 출력하는 제어노드와 연결되며, 제어노드는 레벨 시프팅부(100)로 제어신호를 인가하기 위하여 제4 PMOS 트랜지스터(160) 및 제2 NMOS 트랜지스터(120)의 게이트와 연결된다. 또한, 제4 NMOS 트랜지스터(220)의 게이트는 입력신호에 대한 인버팅 신호를 입력받는 인버팅 입력 노드와 연결되며, 제5 NMOS 트랜지스터(230)의 게이트는 출력신호를 피드백 받기 위하여 출력노드와 연결된다. In the control signal generator 200, the gates of the fifth PMOS transistor 240 and the third NMOS transistor 210 are connected to the input node that receives the input signal, and the fifth PMOS transistor 240 and the third NMOS transistor 210 are connected to the input node. The contact point between the drains of 210 is connected to a control node that outputs a control signal, and the control node uses the fourth PMOS transistor 160 and the second NMOS transistor 120 to apply a control signal to the level shifting unit 100. ) is connected to the gate of In addition, the gate of the fourth NMOS transistor 220 is connected to an inverting input node that receives an inverting signal for the input signal, and the gate of the fifth NMOS transistor 230 is connected to an output node to receive feedback of the output signal. do.

레벨 시프팅부(100)에서, 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제7 PMOS 트랜지스터(260)는 커런트 미러(Current Mirror) 구조를 가지며, 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제7 PMOS 트랜지스터(260)의 게이트 사이의 제2 미러 노드는 제7 PMOS 트랜지스터(260) 및 제4 NMOS 트랜지스터(220) 사이의 노드와 연결된다.In the level shifting unit 100, the sixth PMOS transistor 250 and the seventh PMOS transistor 260 have a current mirror structure, and the sixth PMOS transistor 250 and the seventh PMOS transistor 260 have a current mirror structure. The second mirror node between the gates is connected to the node between the seventh PMOS transistor 260 and the fourth NMOS transistor 220.

이하, 본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)의 동작에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the operation of the level shifter 10 according to this embodiment will be described.

레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압에 따라 풀 스윙(Full swing) 전환을 수행한다. The level shifter 10 performs full swing switching according to the voltage of the input signal.

레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환될 때, 출력신호의 전압이 제2 전원전압까지 상승되도록 하고, 입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환이 완료된 후 출력신호의 전압이 제2 전원전압을 유지하도록 한다. The level shifter 10 causes the voltage of the output signal to rise to the second power supply voltage when the voltage of the input signal is switched upward to a 'high' state, and the voltage of the input signal is switched upward to a 'high' state. After completion, the voltage of the output signal is maintained at the second power supply voltage.

또한, 레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '로우'인 상태로 하강 전환될 때, 제4 PMOS 트랜지스터(160)를 통해 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단하고, 제2 NMOS 트랜지스터(120)로 인해 출력신호의 전압이 '로우'로 풀다운(Pull-down)되도록 하여 출력신호의 전압은 그라운드(Ground)로부터 제2 전원전압까지 변하게 된다. In addition, the level shifter 10 blocks the current due to pull-up through the fourth PMOS transistor 160 when the voltage of the input signal is transitioned to a 'low' state, and the second NMOS transistor Due to (120), the voltage of the output signal is pulled down to 'low' and the voltage of the output signal changes from ground to the second power supply voltage.

이하, 입력신호의 전압 레벨이 상승 변환하는 경우 레벨 시프터(10)의 동작을 설명하도록 한다. Hereinafter, the operation of the level shifter 10 when the voltage level of the input signal is converted upward will be described.

레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '로우'에서 '하이'로 상승 변환한 경우, (i) 입력신호의 전압에 의해 제1 NMOS 트랜지스터(110)가 켜져 제1 미러 노드가 '로우'로 하강하고, 제2 PMOS 트랜지스터(140) 및 제3 PMOS 트랜지스터(150)가 켜지며, 동시에, (ii) 입력신호의 전압에 의해 제3 NMOS 트랜지스터(210)가 켜져 제어신호의 전압이 '로우'로 하강하고, 제4 PMOS 트랜지스터(160)가 켜진다. 레벨 시프터(10)는 (iii) 제3 PMOS 트랜지스터(150) 및 제4 PMOS 트랜지스터(160)를 통해 전압이 '하이'로 상승된 출력신호를 출력노드로 출력한다. When the voltage of the input signal is converted upward from 'low' to 'high', the level shifter 10 (i) turns on the first NMOS transistor 110 by the voltage of the input signal, causing the first mirror node to turn 'low'. falls to low, the second PMOS transistor 140 and the third PMOS transistor 150 are turned on, and at the same time, (ii) the third NMOS transistor 210 is turned on by the voltage of the input signal, so that the voltage of the control signal is low. ', and the fourth PMOS transistor 160 is turned on. The level shifter 10 (iii) outputs an output signal whose voltage is increased to 'high' to the output node through the third PMOS transistor 150 and the fourth PMOS transistor 160.

이하, 입력신호의 전압 레벨이 하강 변환하는 경우 레벨 시프터(10)의 동작을 설명하도록 한다. Hereinafter, the operation of the level shifter 10 when the voltage level of the input signal is converted downward will be described.

레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '하이'에서 '로우'로 하강 변환한 경우, (i) 입력신호의 전압에 의해 제5 PMOS 트랜지스터(240)가 켜지며, 동시에, (ii) 인버팅 신호의 전압에 의해 제4 NMOS 트랜지스터(220)가 켜져 제2 미러 노드가 '로우'로 하강하고, 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제7 PMOS 트랜지스터(260)가 켜진다. 레벨 시프터(10)는 (iii) 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제5 PMOS 트랜지스터(240)를 통해 전압이 '하이'로 상승된 제어신호를 출력하며, (iv) 입력신호의 전압에 의해 제2 NMOS 트랜지스터(120)가 켜져 전압이 '로우'로 하강된 출력신호를 출력노드로 출력한다. When the voltage of the input signal is converted from 'high' to 'low', the level shifter 10 (i) turns on the fifth PMOS transistor 240 by the voltage of the input signal, and at the same time, (ii) The fourth NMOS transistor 220 is turned on by the voltage of the butting signal, causing the second mirror node to fall to 'low', and the sixth PMOS transistor 250 and the seventh PMOS transistor 260 are turned on. The level shifter 10 (iii) outputs a control signal whose voltage is increased to 'high' through the sixth PMOS transistor 250 and the fifth PMOS transistor 240, and (iv) is controlled by the voltage of the input signal. 2 The NMOS transistor 120 is turned on and outputs an output signal whose voltage is lowered to 'low' to the output node.

본 발명의 레벨 시프터(10)는 기존의 다른 여러 레벨 시프터에서 발생하는 스태틱 전류(Static current), 풀 스윙(Full swing), 플로팅(Floating) 등의 문제를 해결할 수 있다. The level shifter 10 of the present invention can solve problems such as static current, full swing, and floating that occur in various other existing level shifters.

또한, 본 발명의 레벨 시프터(10)는 에너지 효율적이며 저전압에서도 레벨 시프팅(Level Shifting)이 가능하다. 이에, 본 발명의 레벨 시프터(10)의 구조를 저전압을 사용하는 블록(block)에 적용 가능하고, 이는 집적회로의 에너지 효율성을 증가 시켜줄 수 있으며, 동작 속도를 향상 시킬 수 있다. Additionally, the level shifter 10 of the present invention is energy efficient and allows level shifting even at low voltage. Accordingly, the structure of the level shifter 10 of the present invention can be applied to blocks that use low voltage, which can increase the energy efficiency of the integrated circuit and improve operating speed.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 상승 전환 동작을 설명하기 위한 도면이다. Figure 2 is a diagram for explaining the upward switching operation of the level shifter according to an embodiment of the present invention.

도 2에서는 입력신호의 전압이 '0'에서 '1'로 상승 전환되는 경우 레벨 시프터(10)의 동작을 설명하도록 한다. In Figure 2, the operation of the level shifter 10 when the voltage of the input signal changes upward from '0' to '1' will be explained.

레벨 시프터(10)에서, 입력신호의 전압이 '로우'에서 '하이'로 상승 변환한 경우(①), 입력신호의 전압에 의해 제1 NMOS 트랜지스터(110) 및 제3 NMOS 트랜지스터(210)가 켜진다. In the level shifter 10, when the voltage of the input signal is converted upward from 'low' to 'high' (①), the first NMOS transistor 110 and the third NMOS transistor 210 are switched by the voltage of the input signal. It turns on.

레벨 시프터(10)에서, 입력신호의 전압에 의해 제1 NMOS 트랜지스터(110)가 켜져 제1 미러 노드가 '로우'로 하강하고(②), 제2 PMOS 트랜지스터(140) 및 제3 PMOS 트랜지스터(150)가 켜지며, 동시에 입력신호의 전압에 의해 제3 NMOS 트랜지스터(210)가 켜져 제어신호의 전압이 '로우'로 하강하고(②), 제4 PMOS 트랜지스터(160)가 켜진다. In the level shifter 10, the first NMOS transistor 110 is turned on by the voltage of the input signal and the first mirror node falls to 'low' (②), and the second PMOS transistor 140 and the third PMOS transistor ( 150) is turned on, and at the same time, the third NMOS transistor 210 is turned on by the voltage of the input signal, the voltage of the control signal falls to 'low' (②), and the fourth PMOS transistor 160 is turned on.

레벨 시프터(10)에서, 레벨 시프터(10)는 제3 PMOS 트랜지스터(150) 및 제4 PMOS 트랜지스터(160)를 통해 전압이 '하이'로 상승된 출력신호를 출력노드로 출력한다(③). 다시 말해, 제3 PMOS 트랜지스터(150) 및 제4 PMOS 트랜지스터(160)를 통해 제2 전원전압(VDDH)에서 공급되는 전류가 출력신호(OUT)를 '1'(VDDH)로 상승시킨다. In the level shifter 10, the level shifter 10 outputs an output signal whose voltage is increased to 'high' to the output node through the third PMOS transistor 150 and the fourth PMOS transistor 160 (③). In other words, the current supplied from the second power voltage VDDH through the third PMOS transistor 150 and the fourth PMOS transistor 160 increases the output signal OUT to '1' (VDDH).

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 하강 전환 동작을 설명하기 위한 도면이다. Figure 3 is a diagram for explaining a downward transition operation of a level shifter according to an embodiment of the present invention.

도 3에서는 입력신호의 전압이 '1'에서 '0'로 상승 전환되는 경우 레벨 시프터(10)의 동작을 설명하도록 한다. In Figure 3, the operation of the level shifter 10 when the voltage of the input signal changes upward from '1' to '0' will be explained.

레벨 시프터(10)에서, 입력신호의 전압이 '하이'에서 '로우'로 하강 변환한 경우(①), 입력신호의 전압에 의해 제5 PMOS 트랜지스터(240)가 켜지고, 인버팅 신호의 전압에 의해 제4 NMOS 트랜지스터(220)가 켜진다. In the level shifter 10, when the voltage of the input signal is converted down from 'high' to 'low' (①), the fifth PMOS transistor 240 is turned on by the voltage of the input signal, and the voltage of the inverting signal is turned on. The fourth NMOS transistor 220 is turned on.

레벨 시프터(10)에서, 인버팅 신호의 전압에 의해 제4 NMOS 트랜지스터(220)가 켜져 제2 미러 노드가 '로우'로 하강하고, 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제7 PMOS 트랜지스터(260)가 켜진다(②). In the level shifter 10, the fourth NMOS transistor 220 is turned on by the voltage of the inverting signal and the second mirror node falls to 'low', and the sixth PMOS transistor 250 and the seventh PMOS transistor 260 turns on (②).

레벨 시프터(10)에서, 제6 PMOS 트랜지스터(250) 및 제5 PMOS 트랜지스터(240)를 통해 전압이 '하이'로 상승된 제어신호를 출력한다(③).The level shifter 10 outputs a control signal whose voltage is increased to 'high' through the sixth PMOS transistor 250 and the fifth PMOS transistor 240 (③).

레벨 시프터(10)에서, 제어신호의 전압에 의해 제2 NMOS 트랜지스터(120)가 켜져 전압이 '로우'로 하강된 출력신호를 출력노드로 출력한다(④).In the level shifter 10, the second NMOS transistor 120 is turned on by the voltage of the control signal and outputs an output signal whose voltage is lowered to 'low' to the output node (④).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호 생성부의 동작을 설명하기 위한 제4 PMOS 트랜지스터를 제거한 레벨 시프터를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호에 의한 레벨 시프터의 동작을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 4 is a diagram showing a level shifter with the fourth PMOS transistor removed to explain the operation of the control signal generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing the operation of the level shifter by a control signal according to an embodiment of the present invention. This is a drawing to explain.

레벨 시프팅부(100)는 적어도 4 개의 PMOS 트랜지스터 및 적어도 2 개의 NPMOS 트랜지스터로 구성된다. 레벨 시프팅부(100)는 입력전압을 기반으로 출력전압(OUT)을 상승 또는 하강 전환한다. The level shifting unit 100 is composed of at least four PMOS transistors and at least two NPMOS transistors. The level shifting unit 100 switches the output voltage (OUT) upward or downward based on the input voltage.

제어신호 생성부(200)는 적어도 3 개의 PMOS 트랜지스터 및 적어도 3 개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. 제어신호 생성부(200)는 입력 전압에 반전된 제어신호를 생성하고, 레벨 시프팅부(100)의 특정 PMOS 트랜지스터 및 NPMOS 트랜지스터 중 적어도 하나의 트랜지스터로 제어신호를 전달한다. The control signal generator 200 is composed of at least three PMOS transistors and at least three NMOS transistors. The control signal generator 200 generates a control signal inverted to the input voltage and transmits the control signal to at least one transistor of the specific PMOS transistor and the NPMOS transistor of the level shifting unit 100.

이하, 레벨 시프팅부(100)에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the level shifting unit 100 will be described.

레벨 시프팅부(100)는 OUT을 '1'(VDDH)로 올리고 '0'(GND)으로 내려주는 회로로 구성된다. The level shifting unit 100 is composed of a circuit that raises OUT to '1' (VDDH) and lowers it to '0' (GND).

본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)가 제어신호 생성부(200) 없이 레벨 시프팅부(100)만으로 동작하지 않는 이유는 다음과 같다. 도 4에 도시된 같이, 제어신호 생성부(200)가 없고, 레벨 시프팅부(100)에 제4 PMOS 트랜지스터가 없을 경우, 입력전압이 하강(Falling) 전환할 때 출력전압(OUT)가 '1'에 의해 제1 PMOS 트랜지스터가 꺼져 있어 제1 미러 노드(X 노드)를 풀업(Pull-up)할 수 없어 '0'상태를 유지한다. 따라서, 제3 PMOS 트랜지스터에 의해 출력전압(OUT)를 '1'로 고정시켜 출력전압(OUT)을 '0'으로 내리지 못하는 문제가 있다. 따라서, 제3 PMOS 트랜지스터에서 흐르는 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단하기 위해 제4 PMOS 트랜지스터가 필요하다. The reason why the level shifter 10 according to this embodiment does not operate with only the level shifting unit 100 without the control signal generating unit 200 is as follows. As shown in FIG. 4, when there is no control signal generator 200 and the fourth PMOS transistor is not present in the level shifting unit 100, the output voltage (OUT) is '1' when the input voltage switches to falling. ', the first PMOS transistor is turned off, so the first mirror node (X node) cannot be pulled up, so it maintains the '0' state. Therefore, there is a problem in that the output voltage (OUT) is fixed to '1' by the third PMOS transistor and the output voltage (OUT) cannot be lowered to '0'. Therefore, a fourth PMOS transistor is needed to block the pull-up current flowing from the third PMOS transistor.

제4 PMOS 트랜지스터를 사용해 제3 PMOS 트랜지스터에서 흐르는 P풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단하려면 입력신호(IN)가 '0'일 때 제4 PMOS 트랜지스터가 꺼져야 하므로 제어신호는 '1'이 되어야 한다. 또한, 입력전압이 상승(rising) 전환할 때, 입력전압이 '1'이면 제4 PMOS 트랜지스터를 켜야하므로 제어신호는 '0'이어야 한다. 따라서, 제어신호는 입력전압(IN)에 인버팅된 신호인 것이 바람직하다. To block the current caused by P pull-up flowing from the third PMOS transistor using the fourth PMOS transistor, the fourth PMOS transistor must be turned off when the input signal (IN) is '0', so the control signal is '1'. It should be this. Additionally, when the input voltage changes to rising, if the input voltage is '1', the fourth PMOS transistor must be turned on, so the control signal must be '0'. Therefore, it is desirable that the control signal is an inverted signal of the input voltage (IN).

이하, 제어신호 생성부(200)에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the control signal generator 200 will be described.

제어신호 생성부(200)는 레벨 시프팅부(100)의 동작을 위하여 제4 PMOS 트랜지스터를 동작하기 위한 위상이 IN에 반전된 제어신호를 생성한다. The control signal generator 200 generates a control signal whose phase is inverted to IN for operating the fourth PMOS transistor in order to operate the level shifting unit 100.

도 5를 참고하면, 제어신호 생성부(200)는 반전된 신호를 생성하기 위해 제3 NMOS 트랜지스터와 제5 PMOS 트랜지스터의 게이트가 입력전압(IN)과 연결되도록 한다. 또한, 제어신호 생성부(200)는 제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터를 확실하게 키고 끄기 위해서는 제1 전원전압인 입력전압(IN)보다 증폭된 신호를 생성해야 한다. Referring to FIG. 5, the control signal generator 200 connects the gates of the third NMOS transistor and the fifth PMOS transistor to the input voltage IN to generate an inverted signal. Additionally, the control signal generator 200 must generate a signal amplified by the input voltage IN, which is the first power supply voltage, in order to reliably turn on and off the fourth PMOS transistor and the second NMOS transistor.

제어신호 생성부(200)는 제어신호를 생성하기 위해, 제4 NMOS 트랜지스터와 제5 NMOS 트랜지스터를 사용해 입력전압(IN)과 출력전압(OUT)이 다를 때만 동작하는 LECC(Logic Error correction circuit)을 사용할 수 있다. 제어신호 생성부(200)는 LECC를 사용해 입력전압(IN)이 '0'일 때 제어신호(Y signal)를 제2 전원전압(VDDH)에 가까운 '1'로 만들기 위해 제5 PMOS 트랜지스터를 제6 PMOS 트랜지스터를 통해 제2 전원전압(VDDH)와 연결한다. To generate a control signal, the control signal generator 200 uses a fourth NMOS transistor and a fifth NMOS transistor to create a LECC (Logic Error Correction Circuit) that operates only when the input voltage (IN) and output voltage (OUT) are different. You can use it. The control signal generator 200 uses the LECC to generate the fifth PMOS transistor to make the control signal (Y signal) to '1', which is close to the second power voltage (VDDH) when the input voltage (IN) is '0'. 6 Connect to the second power voltage (VDDH) through a PMOS transistor.

도 5에 도시된 바와 같이, 레벨 시프터(10)는 입력전압(IN)이 '0'일 때 제어신호(Y signal)는 '1'이 되고, 제4 PMOS 트랜지스터가 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단할 수 있다. 또한, 레벨 시프터(10)에서 제어신호를 입력으로 하는 제2 NMOS 트랜지스터에 의해 출력전압(OUT)은 '0'으로 풀다운(Pull-down) 된다.As shown in FIG. 5, when the input voltage (IN) of the level shifter 10 is '0', the control signal (Y signal) becomes '1', and the fourth PMOS transistor is in pull-up. It is possible to block the current caused by Additionally, the output voltage OUT is pulled down to '0' by the second NMOS transistor that receives the control signal from the level shifter 10.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 장점을 설명하기 위한 도면이다. Figure 6 is a diagram for explaining the advantages of a level shifter according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 스태틱 전류(Static current)를 차단하는 동작을 수행한다. The level shifter 10 according to this embodiment performs an operation to block static current.

구체적으로, 레벨 시프터(10)의 레벨 시프팅부(100)는 입력신호의 전압이 '하이'인 상태인 경우, 출력신호의 전압을 피드백 받는 제1 PMOS 트랜지스터가 꺼짐 상태로 동작하여 제2 PMOS 트랜지스터 및 제1 NMOS 트랜지스터를 통해 흐르게 되는 스태틱 전류(static current)를 차단할 수 있다. Specifically, when the voltage of the input signal is in a 'high' state, the level shifting unit 100 of the level shifter 10 operates in an off state so that the first PMOS transistor, which receives feedback from the voltage of the output signal, is turned off. And it is possible to block static current flowing through the first NMOS transistor.

또한, 본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 플로팅(Floating) 방지 동작을 수행한다. 다시 말해, 레벨 시프터(10)의 레벨 시프팅부(100)는 플로팅 하이(Floating High)인 상태가 되는 것을 방지한다. Additionally, the level shifter 10 according to this embodiment performs a floating prevention operation. In other words, the level shifting unit 100 of the level shifter 10 prevents the floating high state from occurring.

구체적으로, 레벨 시프터(10)의 레벨 시프팅부(100)는 입력신호의 전압이 '하이'로 상승 변환이 끝난 후, 제1 미러 노드가 제1 NMOS 트랜지스터에 의해 ‘0’으로 고정되어 있어 있으므로 제3 PMOS 트랜지스터와 제4 PMOS 트랜지스터를 통해 제2 전원전압에서 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 공급받아 출력신호가 제2 전원전압 상태가 유지되도록 하고, 출력신호가 플로팅 하이(Floating High)인 상태가 되는 것을 방지할 수 있다. Specifically, the level shifting unit 100 of the level shifter 10 has the first mirror node fixed to '0' by the first NMOS transistor after the voltage of the input signal is converted to 'high'. Pull-up current is supplied from the second power supply voltage through the third PMOS transistor and the fourth PMOS transistor, so that the output signal is maintained at the second power supply voltage, and the output signal is floating high. It can be prevented from becoming in a state.

또한, 본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압에 따라 풀 스윙(Full swing) 전환을 수행한다. Additionally, the level shifter 10 according to this embodiment performs full swing switching according to the voltage of the input signal.

구체적으로, 레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환될 때, 출력신호의 전압이 제2 전원전압까지 상승되도록 하고, 입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환이 완료된 후 출력신호의 전압이 제2 전원전압을 유지하도록 동작한다. 또한, 레벨 시프터(10)는 입력신호의 전압이 '로우'인 상태로 하강 전환될 때, 제4 PMOS 트랜지스터를 통해 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단하고, 제2 NMOS 트랜지스터로 인해 출력신호의 전압이 '로우'로 풀다운(Pull-down)되도록 하여 출력신호의 전압은 그라운드(Ground)로부터 제2 전원전압까지 변하도록 동작한다. Specifically, when the voltage of the input signal is switched upward to the 'high' state, the level shifter 10 causes the voltage of the output signal to rise to the second power supply voltage and keeps the voltage of the input signal in the 'high' state. After the rising transition is completed, the voltage of the output signal operates to maintain the second power supply voltage. In addition, when the voltage of the input signal is switched to a 'low' state, the level shifter 10 blocks the current due to pull-up through the fourth PMOS transistor and outputs the output due to the second NMOS transistor. The voltage of the signal is pulled down to 'low' so that the voltage of the output signal changes from ground to the second power supply voltage.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터에서의 트랜지스터 스택 및 FinFET 사이즈를 나타낸 도면이다. 7A and 7B are diagrams showing the transistor stack and FinFET size in the level shifter according to an embodiment of the present invention.

도 7a은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터(10)에서의 MOS 트랜지스터 스택(stack)을 나타낸 도면이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터(10)에서의 FinFET 사이즈를 나타낸 도면이다. FIG. 7A is a diagram showing a MOS transistor stack in the level shifter 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a diagram showing the FinFET size in the level shifter 10 according to an embodiment of the present invention. am.

도 7a에 도시된 바와 같이, 제4 NMOS 트랜지스터(220)- 제5 NMOS 트랜지스터(230)에 대한 풀 다운 경로(pull-down path)의 NMOS 트랜지스터 스택(NFET stack, 700)의 순서를 고려하여 레벨 시프터(10)의 회로를 설계할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 4nm ~ 7nm FinFET을 사용하여 사이징(sizing)할 수 있다. 레벨 시프터(10)에 포함된 각각의 트랜지스터는 목적에 따라 도 7b와 같이 Fin 개수를 다르게 설정할 수 있다. As shown in FIG. 7A, the level considering the order of the NMOS transistor stack (NFET stack, 700) of the pull-down path for the fourth NMOS transistor 220 - the fifth NMOS transistor 230. The circuit of the shifter 10 can be designed. For example, the level shifter 10 according to this embodiment can be sized using 4nm to 7nm FinFET. Each transistor included in the level shifter 10 may have a different number of Fins depending on the purpose, as shown in FIG. 7B.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터의 동작을 나타낸 도면이다. Figure 8 is a diagram showing the operation of a level shifter according to an embodiment of the present invention.

도 8의 (a)는 레벨 시프터(10)의 상승 전환 동작을 나타내고, 도 10의 (b)는 레벨 시프터(10)의 하강 전환 동작을 나타낸다. Figure 8(a) shows the upward switching operation of the level shifter 10, and Figure 10(b) shows the downward switching operation of the level shifter 10.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터와 종래의 레벨 시프터 간의 에너지 소모를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram showing the results of comparing energy consumption between a level shifter according to an embodiment of the present invention and a conventional level shifter.

도 9는 본 실시예에 따른 레벨 시프터(10), CPLS 및 CMLS 간의 에너지 소모를 비교한 결과를 나타낸다. 도 9를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터(10)는 0.6 v일 때 CPLS보다 48.4 % 만큼 개선된 에너지 효율을 가지고 있으며 CMLS보다 79.69 % 만큼 개선된 에너지 효율을 가지는 것을 확인할 수 있다. Figure 9 shows the results of comparing energy consumption between the level shifter 10, CPLS, and CMLS according to this embodiment. Referring to FIG. 9, it can be seen that the level shifter 10 according to an embodiment of the present invention has energy efficiency improved by 48.4% compared to CPLS at 0.6 v and energy efficiency improved by 79.69% compared to CMLS. .

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 몬테 카를로 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도면이다. Figure 10 is a diagram showing the results of Monte Carlo simulation according to an embodiment of the present invention.

도 10은 2000 번 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 처리한 결과를 나타낸다. 도 10와 같이 CPLS는 0.4 v 일 때 몬테 카를로 시뮬레이션 결과, 불안정한 레벨 시프팅(Level Shifting) 결과를 가져오는 것을 확인할 수 있다. Figure 10 shows the results of processing Monte Carlo simulation number 2000. As shown in Figure 10, it can be seen that CPLS produces unstable level shifting results as a result of Monte Carlo simulation when the voltage is 0.4 v.

반면, 본 발명의 레벨 시프터(10)는 0.4 v 때 안정적인 레벨 시프팅(Level Shifting)을 수행하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 레벨 시프터(10) 구조는 CPLS보다 넓은 범위의 입력 범위를 가지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be confirmed that the level shifter 10 of the present invention performs stable level shifting at 0.4 v. Therefore, it can be confirmed that the level shifter 10 structure of the present invention has a wider input range than CPLS.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 레벨 시프터와 종래의 다수의 레벨 시프터와의 지연 정도를 비교 결과를 나타낸 도면이다.Figure 11 is a diagram showing the results of comparing the degree of delay between a level shifter according to an embodiment of the present invention and a number of conventional level shifters.

도 11의 그래프를 참고하면, 지연(Delay)이 적어 동작 속도가 가장 빠른 회로는 CMLS(⑤)이지만 CMLS는 스태틱 전류(Static current) 문제로 인해 실질적으로 사용하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 레벨 시프터(⑧)가 다른 레벨 시프터의 구조에 비해 동작 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다. Referring to the graph in FIG. 11, the circuit with the fastest operation speed due to low delay is CMLS (⑤), but CMLS is difficult to use in practice due to the static current problem. Therefore, it can be confirmed that the level shifter (⑧) of the present invention has a faster operating speed than the structure of other level shifters.

이상의 설명은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an exemplary explanation of the technical idea of the embodiments of the present invention, and those skilled in the art can make various modifications and modifications without departing from the essential characteristics of the embodiments of the present invention. Transformation will be possible. Accordingly, the embodiments of the present invention are not intended to limit but to explain the technical idea of the embodiment of the present invention, and the scope of the technical idea of the embodiment of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the embodiments of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of the embodiments of the present invention.

10: 레벨 시프터
100: 레벨 시프팅부
200: 제어신호 생성부
10: Level shifter
100: level shifting unit
200: Control signal generator

Claims (13)

입력신호(IN)의 전압 레벨에 따라 출력신호(OUT)의 전압 레벨을 변환하여 출력하는 레벨 시프터에 있어서,
제1 전원전압에 연결된 입력신호(IN)를 입력 받고, 상기 입력신호의 전압 레벨에 대응되도록 전압 레벨을 조정하여 상기 출력신호(OUT)를 출력하는 레벨 시프팅부; 및
상기 입력신호(IN)의 전압 레벨 변환 시 상기 출력신호(OUT)의 전압 레벨 변환을 위하여 상기 레벨 시프팅부에 포함된 일부 트랜지스터의 동작을 제어하는 제어신호를 생성하여 전달하는 제어신호 생성부를 포함하되,
상기 레벨 시프팅부는, 적어도 2 개의 NMOS 트랜지스터 및 적어도 4 개의 PMOS 트랜지스터를 포함하되, 상기 레벨 시프팅부는, 제1 NMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터를 포함하는 적어도 2 개의 NMOS 트랜지스터와 제1 PMOS 트랜지스터, 제2 PMOS 트랜지스터, 제3 PMOS 트랜지스터 및 제4 PMOS 트랜지스터를 포함하는 적어도 4 개의 PMOS 트랜지스터로 구성되며,
상기 레벨 시프팅부는, 제2 전원전압과 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인이 병렬로 연결되며, 상기 제1 연결 라인에는 제2 PMOS 트랜지스터, 제1 PMOS 트랜지스터 및 제1 NMOS 트랜지스터가 직렬 연결되고, 상기 제2 연결 라인에는 제3 PMOS 트랜지스터, 제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터가 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
In the level shifter that converts and outputs the voltage level of the output signal (OUT) according to the voltage level of the input signal (IN),
a level shifting unit that receives an input signal (IN) connected to a first power supply voltage, adjusts the voltage level to correspond to the voltage level of the input signal, and outputs the output signal (OUT); and
A control signal generator that generates and transmits a control signal that controls the operation of some transistors included in the level shifting unit to convert the voltage level of the output signal (OUT) when converting the voltage level of the input signal (IN), ,
The level shifting unit includes at least two NMOS transistors and at least four PMOS transistors, wherein the level shifting unit includes at least two NMOS transistors including a first NMOS transistor and a second NMOS transistor, and a first PMOS transistor, Consisting of at least four PMOS transistors including a second PMOS transistor, a third PMOS transistor, and a fourth PMOS transistor,
In the level shifting unit, a second power voltage, a first connection line, and a second connection line are connected in parallel, and a second PMOS transistor, a first PMOS transistor, and a first NMOS transistor are connected in series to the first connection line. , A level shifter, characterized in that a third PMOS transistor, a fourth PMOS transistor, and a second NMOS transistor are connected in series to the second connection line.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 레벨 시프팅부에서,
제1 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 입력신호를 입력받는 입력노드와 연결되고, 제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터 사이의 접점은 출력신호를 출력하는 출력노드와 연결되며, 제1 PMOS 트랜지스터의 게이트는 출력신호를 피드백 받기 위하여 출력노드와 연결되되,
제2 PMOS 트랜지스터 및 제3 PMOS 트랜지스터는 커런트 미러(Current Mirror) 구조를 가지며, 상기 제2 PMOS 트랜지스터 및 상기 제3 PMOS 트랜지스터의 게이트 사이의 제1 미러 노드는 제1 PMOS 트랜지스터 및 제1 NMOS 트랜지스터 사이의 노드와 연결되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to paragraph 1,
In the level shifting unit,
The gate of the first NMOS transistor is connected to the input node that receives the input signal, the contact point between the fourth PMOS transistor and the second NMOS transistor is connected to the output node that outputs the output signal, and the gate of the first PMOS transistor is Connected to the output node to receive output signal feedback,
The second PMOS transistor and the third PMOS transistor have a current mirror structure, and the first mirror node between the gate of the second PMOS transistor and the third PMOS transistor is between the first PMOS transistor and the first NMOS transistor. A level shifter characterized by being connected to a node.
제1항에 있어서,
상기 제어신호 생성부는,
제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트와 연결되고, 제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터의 동작 제어를 위한 상기 제어신호를 인가하되,
상기 제어신호는 상기 입력신호가 인버팅된 인버팅 신호인 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to paragraph 1,
The control signal generator,
Connected to the gate of the fourth PMOS transistor and the second NMOS transistor, and applying the control signal for controlling the operation of the fourth PMOS transistor and the second NMOS transistor,
The level shifter, wherein the control signal is an inverting signal obtained by inverting the input signal.
제4항에 있어서,
상기 제어신호 생성부는,
적어도 3 개의 NMOS 트랜지스터 및 적어도 3 개의 PMOS 트랜지스터를 포함하되,
상기 제어신호 생성부는, 제3 NMOS 트랜지스터, 제4 NMOS 트랜지스터 및 제5 NMOS 트랜지스터를 포함하는 적어도 3 개의 NMOS 트랜지스터와 제5 PMOS 트랜지스터, 제6 PMOS 트랜지스터 및 제7 PMOS 트랜지스터를 포함하는 적어도 3 개의 PMOS 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 4,
The control signal generator,
Comprising at least 3 NMOS transistors and at least 3 PMOS transistors,
The control signal generator includes at least three NMOS transistors including a third NMOS transistor, a fourth NMOS transistor, and a fifth NMOS transistor, and at least three PMOS transistors including a fifth PMOS transistor, a sixth PMOS transistor, and a seventh PMOS transistor. A level shifter characterized by being composed of a transistor.
제6항에 있어서,
상기 제어신호 생성부는,
제2 전원전압과 제3 연결 라인 및 제4 연결 라인이 병렬로 연결되며,
상기 제3 연결 라인에는 제6 PMOS 트랜지스터, 제5 PMOS 트랜지스터 및 제3 NMOS 트랜지스터가 직렬 연결되고, 상기 제4 연결 라인에는 제7 PMOS 트랜지스터, 제4 NMOS 트랜지스터 및 제5 NMOS 트랜지스터가 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 6,
The control signal generator,
The second power voltage, the third connection line, and the fourth connection line are connected in parallel,
A sixth PMOS transistor, a fifth PMOS transistor, and a third NMOS transistor are connected in series to the third connection line, and a seventh PMOS transistor, a fourth NMOS transistor, and a fifth NMOS transistor are connected in series to the fourth connection line. Features a level shifter.
제7항에 있어서,
상기 제어신호 생성부에서,
제5 PMOS 트랜지스터 및 제3 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 입력신호를 입력받는 입력노드와 연결되고, 제5 PMOS 트랜지스터 및 제3 NMOS 트랜지스터 사이의 접점은 제어신호를 출력하는 제어노드와 연결되며, 제어노드는 레벨 시프팅부로 제어신호를 인가하기 위하여 제4 PMOS 트랜지스터 및 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트와 연결되고, 제4 NMOS 트랜지스터의 게이트는 입력신호에 대한 인버팅 신호를 입력받는 인버팅 입력 노드와 연결되며, 제5 NMOS 트랜지스터의 게이트는 출력신호를 피드백 받기 위하여 출력노드와 연결되되,
제6 PMOS 트랜지스터 및 제7 PMOS 트랜지스터는 커런트 미러(Current Mirror) 구조를 가지며, 상기 제6 PMOS 트랜지스터 및 상기 제7 PMOS 트랜지스터의 게이트 사이의 제2 미러 노드는 제7 PMOS 트랜지스터 및 제4 NMOS 트랜지스터 사이의 노드와 연결되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
In clause 7,
In the control signal generator,
The gates of the fifth PMOS transistor and the third NMOS transistor are connected to the input node that receives the input signal, and the contact point between the fifth PMOS transistor and the third NMOS transistor is connected to the control node that outputs the control signal, and the control node is connected to the gate of the fourth PMOS transistor and the second NMOS transistor to apply a control signal to the level shifting unit, and the gate of the fourth NMOS transistor is connected to an inverting input node that receives an inverting signal for the input signal. , the gate of the fifth NMOS transistor is connected to the output node to receive output signal feedback,
The sixth PMOS transistor and the seventh PMOS transistor have a current mirror structure, and the second mirror node between the gate of the sixth PMOS transistor and the seventh PMOS transistor is between the seventh PMOS transistor and the fourth NMOS transistor. A level shifter characterized by being connected to a node.
제6항에 있어서,
상기 레벨 시프터는,
입력신호의 전압이 '로우'에서 '하이'로 상승 변환한 경우, (i) 입력신호의 전압에 의해 제1 NMOS 트랜지스터가 켜져 상기 제1 미러 노드가 '로우'로 하강하고, 제2 PMOS 트랜지스터 및 제3 PMOS 트랜지스터가 켜지며, 동시에, (ii) 입력신호의 전압에 의해 제3 NMOS 트랜지스터가 켜져 제어신호의 전압이 '로우'로 하강하고, 제4 PMOS 트랜지스터가 켜지며, (iii) 제3 PMOS 트랜지스터 및 제4 PMOS 트랜지스터를 통해 전압이 '하이'로 상승된 상기 출력신호를 출력노드로 출력하는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 6,
The level shifter is,
When the voltage of the input signal is converted upward from 'low' to 'high', (i) the first NMOS transistor is turned on by the voltage of the input signal, the first mirror node falls to 'low', and the second PMOS transistor And the third PMOS transistor is turned on, and at the same time, (ii) the third NMOS transistor is turned on by the voltage of the input signal, the voltage of the control signal falls to 'low', and the fourth PMOS transistor is turned on, (iii) the third NMOS transistor is turned on by the voltage of the input signal. A level shifter characterized in that the output signal whose voltage is raised to 'high' is output to the output node through the 3 PMOS transistor and the 4th PMOS transistor.
제9항에 있어서,
상기 레벨 시프팅부는,
입력신호의 전압이 '하이'인 상태인 경우, 출력신호의 전압을 피드백 받는 제1 PMOS 트랜지스터가 꺼짐 상태로 동작하여 제2 PMOS 트랜지스터 및 제1 NMOS 트랜지스터를 통해 흐르게 되는 스태틱 전류(static current)를 차단하는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 9,
The level shifting unit,
When the voltage of the input signal is in a 'high' state, the first PMOS transistor that receives the voltage of the output signal as feedback operates in an off state, causing static current to flow through the second PMOS transistor and the first NMOS transistor. A level shifter characterized by blocking.
제9항에 있어서,
상기 레벨 시프팅부는,
입력신호의 전압이 '하이'로 상승 변환이 끝난 후, 제1 미러 노드가 제1 NMOS 트랜지스터에 의해 ‘0’으로 고정되어 있어 있으므로 제3 PMOS 트랜지스터와 제4 PMOS 트랜지스터를 통해 제2 전원전압에서 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 공급받아 출력신호가 제2 전원전압 상태가 유지되도록 하고, 출력신호가 플로팅 하이(Floating High)인 상태가 되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 9,
The level shifting unit,
After the voltage of the input signal is converted to 'high', the first mirror node is fixed to '0' by the first NMOS transistor, so it is connected to the second power supply voltage through the third and fourth PMOS transistors. A level shifter that receives current through pull-up to maintain the output signal at the second power supply voltage and prevents the output signal from being in a floating high state.
제6항에 있어서,
상기 레벨 시프팅부는,
입력신호의 전압에 따라 풀 스윙(Full swing) 전환을 수행하되,
입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환될 때, 출력신호의 전압이 제2 전원전압까지 상승되도록 하고, 입력신호의 전압이 '하이'인 상태로 상승 전환이 완료된 후 출력신호의 전압이 제2 전원전압을 유지하도록 하며,
입력신호의 전압이 '로우'인 상태로 하강 전환될 때, 제4 PMOS 트랜지스터를 통해 풀업(Pull-up)에 의한 전류를 차단하고, 제2 NMOS 트랜지스터로 인해 출력신호의 전압이 '로우'로 풀다운(Pull-down)되도록 하여 출력신호의 전압은 그라운드(Ground)로부터 제2 전원전압까지 변하게 되는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 6,
The level shifting unit,
Full swing conversion is performed depending on the voltage of the input signal,
When the voltage of the input signal is converted to a 'high' state, the voltage of the output signal is raised to the second power supply voltage, and after the upward transition is completed with the voltage of the input signal to be 'high', the voltage of the output signal is raised. This second power supply voltage is maintained,
When the voltage of the input signal transitions to 'low', the current due to pull-up is blocked through the fourth PMOS transistor, and the voltage of the output signal is changed to 'low' due to the second NMOS transistor. A level shifter characterized in that the voltage of the output signal changes from ground to the second power supply voltage by pulling down.
제8항에 있어서,
상기 레벨 시프터는,
입력신호의 전압이 '하이'에서 '로우'로 하강 변환한 경우, (i) 입력신호의 전압에 의해 제5 PMOS 트랜지스터가 켜지며, 동시에, (ii) 인버팅 신호의 전압에 의해 제4 NMOS 트랜지스터가 켜져 상기 제2 미러 노드가 '로우'로 하강하고, 제6 PMOS 트랜지스터 및 제7 PMOS 트랜지스터가 켜지며, (iii) 제6 PMOS 트랜지스터 및 제5 PMOS 트랜지스터를 통해 전압이 '하이'로 상승된 제어신호를 출력하며, (iv) 제어신호의 전압에 의해 제2 NMOS 트랜지스터가 켜져 전압이 '로우'로 하강된 상기 출력신호를 출력노드로 출력하는 것을 특징으로 하는 레벨 시프터.
According to clause 8,
The level shifter is,
When the voltage of the input signal is converted down from 'high' to 'low', (i) the fifth PMOS transistor is turned on by the voltage of the input signal, and at the same time, (ii) the fourth NMOS transistor is turned on by the voltage of the inverting signal. The transistor is turned on, causing the second mirror node to go 'low', the sixth PMOS transistor and the seventh PMOS transistor are turned on, and (iii) the voltage through the sixth PMOS transistor and the fifth PMOS transistor rises to 'high'. (iv) a level shifter characterized in that the second NMOS transistor is turned on by the voltage of the control signal and the output signal whose voltage is lowered to 'low' is output to the output node.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010028867A (en) * 2009-11-02 2010-02-04 Fujitsu Microelectronics Ltd Level conversion circuit

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