KR19990057843A

KR19990057843A - 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터

Info

Publication number: KR19990057843A
Application number: KR1019970077922A
Authority: KR
Inventors: 손종갑
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 1999-07-15

Abstract

본 발명은 지연시간을 감소시켜 속도 향상과 적은 전류 소비를 갖는 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명의 전압레벨 쉬프터는, 논리 '하이' 값이 제1전압레벨이고 '로우'레벨이 접지값인 입력신호에 응답하여 출력단을 상기 제1전압보다 높은 제2전압으로 풀업하는 풀업드라이버; 상기 입력신호에 응답하여 상기 출력단을 풀다운하는 풀다운드라이버; 상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 입력신호와 상기 풀업드라이버 간을 전기적으로 스위칭하는 스위칭수단; 상기 출력단의 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제1수단; 및 상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제2수단을 포함하여 이루어진다.

Description

인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터

본 발명은 낮은 전원전압에서 작동하는 칩 내부 코아와 보통의 전원전압에서 동작하는 칩 외부 시스템 사이를 인터페이스 할 때 코아의 낮은 출력 전압을 높여주기 위하여, 칩 내부의 코아와 칩 외부를 연결하기 위한 패드들의 사이에 사용되는 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터(inverting buffer type voltage level shifter)에 관한 것으로, 특히 출력전압의 라이징(rising) 및 폴링(falling) 시간을 대칭적으로 갖는 레벨쉬프터에 관한 것이다. 이러한 인터페이스는 칩 내부의 코아와 칩 외부를 연결하기 위한 핀을 연결하기 위한 패드의 사이에 존재한다.

종래의 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 VCCL은 코아 로직의 낮은 전원전압 레벨을 나타내고, VCCH는 외부와의 인터페이스를 위한 정상적인 전원전압 레벨을 의미한다.

도 1을 참조하면, 입력단으로부터의 입력신호(DATA)에 응답하여 출력단(OUT)을 VCCH 및 접지전압으로 풀업(pull-up) 및 풀다운(pull-down) 구동하기 위한 트랜지스터 Q1 및 Q2를 포함하는데, 풀다운트랜지스터 Q2는 입력신호(DATA)를 직접적으로 게이트에 인가받아 구동하고, 풀업트랜지스터 Q1은 게이트로 VCCL 레벨을 입력받는 트랜지스터 Q3을 통해 입력신호(DATA)를 게이트로 전달받아 구동한다. 또한, 풀업트랜지스터 Q1은 출력단(OUT)이 게이트에 연결된 트랜지스터 Q4를 통해 VCCH 레벨을 게이트로 전달받아 구동한다. 트랜지스터 Q4는 트랜지스터 Q3에 비해 약한 구동력을 갖는다.

이와 같은, 종래의 전압 레벨 쉬프터는 풀업트랜지스터 Q1과 풀다운트랜지스터 Q2의 충돌에 의하여 그 지연이 결정된다. 출력단(OUT)의 신호값이 '하이'에서 '로우'로 전이 할 때 풀다운트랜지스터인 Q2가 턴온되면서 출력단(OUT)에 충전되어 있던 전하가 풀다운트랜지스터 Q2를 통하여 방전하기 시작한다. 동시에 풀업트랜지스터인 Q1은 천천히 턴오프되기 시작한다. 이러한 상태에서는 풀업트랜지스터 Q1의 게이트에 걸리는 전압은 풀업트랜지스터 Q1을 완전히 턴오프시킬 수 있을 만큼 크지 않다. 때문에 풀업트랜지스터 Q1의 게이트 전압을 보상하기 위하여 출력단(OUT)에 의해 트랜지스터 Q4를 턴온시키므로써 이러한 전압의 차이를 보상한다.

이러한 원리로 동작하는 종래의 전압 레벨 쉬프터는 풀업트랜지스터 Q1을 완전히 턴오프시키기 전까지의 지연 동안 풀다운트랜지스터 Q2는 출력단(OUT)에 충전되어 있는 전하뿐만 아니라, 풀업트랜지스터 Q1에 의해서 공급되는 전하도 풀다운시켜야 하므로 필연적으로 지연을 동반한다. 따라서, 이러한 레벨 쉬프팅 패스 상에 존재하는 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터의 충돌에 의하여 출력전압의 라이징 시간(rising time)이 폴링 시간(falling time)보다 훨씬 빠르게 되는데, 이는 도 3의 시뮬레이션 결과에서 잘 보여진다.

또한 이러한 충돌에 의한 지연에 의하여 종래의 전압 레벨 쉬프터는 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터가 동시에 턴온되는 경우가 발생하여 전원전압과 접지 사이에 직류전류(DC) 패스가 형성되어 더 많은 전류의 소모를 가져온다.

본 발명의 목적은 지연시간을 감소시켜 속도 향상과 적은 전류 소비를 갖는 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터 회로도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터 회로도.

도 3은 종래기술과 본 발명의 전압 레벨 쉬프터를 각각 시뮬레이션한 결과 파형도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전압레벨 쉬프터는, 논리 '하이' 값이 제1전압레벨이고 '로우'레벨이 접지값인 입력신호에 응답하여 출력단을 상기 제1전압보다 높은 제2전압으로 풀업하는 풀업드라이버; 상기 입력신호에 응답하여 상기 출력단을 풀다운하는 풀다운드라이버; 상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 입력신호와 상기 풀업드라이버 간을 전기적으로 스위칭하는 스위칭수단; 상기 출력단의 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제1수단; 및 상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제2수단을 포함하여 이루어진다.

본 발명은 종래의 인버터 버퍼형 전압 레벨 쉬프터가 쉬프팅 패스 상에 존재하는 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터 사이의 충돌에 의하여 라이징 시간과 폴링 시간이 비대칭적인 형태를 보이는 것을 풀업트랜지스터의 게이트에 공급되는 전압 공급 방식을 변경하여 출력단 노드에서의 충돌이 없게 설계하여 대칭적인 라이징 시간과 폴링 시간을 갖게 구성한다. 이에 의해 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터가 동시에 턴온되는 시간을 단축하여 속도 향상 및 저전력 소비를 갖는다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인버팅 버퍼형 전압 레벨 쉬프터의 회로도이다. 도 2에서 VCCL은 코아 로직의 낮은 전원전압 레벨을 나타내고, VCCH는 외부와의 인터페이스를 위한 정상적인 전원전압 레벨을 의미한다.

도 2를 참조하면, 논리 '하이' 값이 VCCL 레벨이고 '로우'레벨이 접지값인 입력신호(DATA)에 응답하여 출력단(OUT)을 각각 VCCH 및 접지전압으로 풀업(pull-up) 및 풀다운(pull-down) 구동하기 위한 트랜지스터 Q1 및 Q2를 포함한다. 풀다운트랜지스터 Q2는 입력신호(DATA)를 직접적으로 게이트에 인가받아 구동한다. 풀업트랜지스터 Q1은 트랜지스터 Q3을 통해 입력신호(DATA)를 게이트로 전달받아 구동하는데, 트랜지스터 Q3은 제1인버터(21)를 통해 출력단(OUT) 레벨의 반전된 레벨을 게이트로 입력받는다. 또한 풀업트랜지스터 Q1은 트랜지스터 Q5를 통해 VCCH 레벨을 게이트로 전달받아 구동하는데, 트랜지스터 Q5는 제2인버터(22)를 통해 출력단(OUT)의 반전된 레벨을 게이트에 입력받는다. 또한, 풀업트랜지스터 Q1은 출력단(OUT)이 게이트에 연결된 트랜지스터 Q4를 통해 VCCH 레벨을 게이트로 전달받아 구동한다. 그리고, 제1인버터(21)는 VCCL 레벨과 접지레벨 간에서 적은 구동력을 갖는 트랜지스터로 구성되고, 제2인버터(22)는 VCCH 레벨과 접지레벨 간에서 적은 구동력을 갖는 트랜지스터로 구성된다. 또한, 트랜지스터 Q4 및 Q5는 트랜지스터 Q3에 비해 약한 구동력을 갖는다.

상기한 구성을 갖는 도 2의 동작 및 작용을 구체적으로 살펴보기로 한다.

입력신호(data)의 값이 '하이'일 경우 출력단(OUT)의 값은 풀다운트랜지스터 Q2의 풀다운 구동에 의해 '로우'로 고정된다. 입력신호의 값이 '하이'에서 '로우'로 전이할 때, 출력단(OUT)의 값은 '로우'에서 '하이'로 전이하게 되며, 출력단의 이러한 라이징 에지는 얼마간의 시간 지연 후에 풀업트랜지스터 Q1을 턴오프시킨다. 이러한 동작은 트랜지스터 Q3이 턴오프되었을 때 트랜지스터 Q5가 약한 인버터 22에 의하여 턴온되기 때문이다. 이러한 상태에서 입력신호가 VCCL의 전압으로서 '하이'가 인가되면 풀다운트랜지스터 Q2가 턴온되어 출력단 전압을 풀다운시켜 주게 된다. 이 상태에서는 이미 풀업트랜지스터 Q1이 턴오프되어 있는 상태이므로 풀업트랜지스터 Q1과 풀다운트랜지스터 Q2 사이에 존재하였던 충돌은 발생하지 않는다. 이러한 결과로 출력단에서의 폴링 시간은 빨라지게 된다. 그리고, 출력단(OUT)의 값이 '하이'일 때 트랜지스터 Q3이 턴오프되고 풀업트랜지스터 Q1의 게이트 전압은 VCCH 레벨을 전달받으므로, 입력단과 풀업트랜지스터 Q1의 게이트단 간의 전압 차이에 의한 전류가 이 버퍼 앞단으로 전달될 염려가 없다.

또한, 도 1과 같은 구조에서는 풀업트랜지스터 Q1과 풀다운트랜지스터 Q2의 크기를 개별적으로 사용 용도에 맞게 적당히 조절할 수 있다. 즉, 라이징 시간이 빨라야만 하는 칩에서는 풀업트랜지스터 Q1을 조정함으로써 가능하고, 이와는 반대로 빠른 폴링 시간이 요구되는 칩에서는 풀다운트랜지스터 Q2를 조정함으로써 이러한 요구를 수용할 수 있다.

도 3은 도 1과 같은 종래기술의 전압 레벨 쉬프터와 도 2와 같은 본 발명의 전압 레벨 쉬프터를 각각 시뮬레이션한 결과 파형도로서, 시뮬레이션은 같은 크기의 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터를 사용하여 수행되었고 VCCL 레벨은 3.3V, VCCH 레벨은 5V를 기준으로 적용되었다. 도 3에 나타나듯이 본 발명에서의 폴링 시간은 종래기술에서보다 한층 빨라진 것을 볼 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 전압 레벨 쉬프터는 빠른 폴링 시간을 가지므로 인하여 고속동작이 가능하고, 풀업트랜지스터와 풀다운트랜지스터가 동시에 턴온되는 시간을 단축하여 전류 소모를 감소시키므로써 저전력 소비를 갖는다. 또한, 본 발명의 전압 레벨 쉬프터를 인터페이스로 사용할 경우 칩 전체의 전류 소비를 줄일 수 있고, 칩의 속도를 높이는 데 있어서 가장 큰 장애 요인인 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다.

Claims

논리 '하이' 값이 제1전압레벨이고 '로우'레벨이 접지값인 입력신호에 응답하여 출력단을 상기 제1전압보다 높은 제2전압으로 풀업하는 풀업드라이버;

상기 입력신호에 응답하여 상기 출력단을 풀다운하는 풀다운드라이버;

상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 입력신호와 상기 풀업드라이버 간을 전기적으로 스위칭하는 스위칭수단;

상기 출력단의 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제1수단; 및

상기 출력단의 반전된 레벨에 응답하여 상기 풀업드라이버의 턴오프 전압을 보상하여주기 위한 제2수단을

포함하여 이루어진 전압 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서,

상기 스위칭수단은,

상기 출력단의 신호를 입력으로 하는 인버터; 및

상기 인버터로부터의 출력을 게이트로 입력받아 상기 입력신호를 상기 풀업드라이버에 전달하는 트랜지스터를 포함하는 전압 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서,

상기 제1수단은 상기 출력단의 신호를 게이트로 입력받아 상기 제2전압을 상기 풀업드라이버에 전달하는 트랜지스터를 포함하는 전압 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서,

상기 제2수단은,

상기 출력단의 신호를 입력으로 하는 인버터; 및

상기 인버터로부터의 출력을 게이트로 입력받아 상기 제2전압을 상기 풀업드라이버에 전달하는 트랜지스터를 포함하는 전압 레벨 쉬프터.
제3항에 있어서,

상기 인버터는 제1전압 레벨과 접지레벨 간에서 적은 구동력을 갖고 인버팅 구동하는 전압 레벨 쉬프터.
제4항에 있어서,

상기 인버터는 제2전압 레벨과 접지레벨 간에서 적은 구동력을 갖고 인버팅 구동하는 전압 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서,

상기 제1수단 및 제2수단은 각각 상기 스위칭소자 보다 적은 구동력을 갖는 트랜지스터로 이루어진 전압 레벨 쉬프터.
제1항에 있어서,

상기 풀업 및 풀다운드라이버는 각각 다른 구동력을 갖도록 서로 다른 사이즈를 갖는 트랜지스터로 이루어진 전압 레벨 쉬프터.
제1항 내지 제8항중 어느한 항에 있어서,

상기 풀업드라이버는 PMOS트랜지스터이고, 상기 풀다운드라이버는 NMOS트랜지스터인 전압 레벨 쉬프터.
제9항에 있어서,

상기 스위칭수단을 구성하는 상기 트랜지스터 NMOS트랜지스터인 전압 레벨 쉬프터.
제10항에 있어서,

상기 제1 및 제2 수단을 구성하는 각각의 상기 트랜지스터는 PMOS트랜지스터인 전압 레벨 쉬프터.