KR20090078312A

KR20090078312A - 단일 전압 전원 상보형 금속산화물 반도체를 위한 자동 탐지 상보형 금속산화물 반도체 입력 회로

Info

Publication number: KR20090078312A
Application number: KR1020090002789A
Authority: KR
Inventors: 흥 팜 레
Original assignee: 엑사르 코포레이션
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2009-07-17
Also published as: JP2009284463A; US20090180227A1; TW200945722A; US7773357B2; JP4999868B2; CN101515799A; CN101515799B

Abstract

자동 탐지 입력 회로는 입력 패드에 인가되는 상대적으로 높은 전압을 견디고 대응하는 신호 레벨을 고유의 전원 전압 범위에서 생성한다. 상기 입력 회로는 부유 웰, 대응하는 바이어스 선택기, 및 입력 바이어스 트랜지스터를 포함하고, 외부 전압에 노출된 어떠한 게이트 산화물에도 미리 정의된 값보다 큰 전압이 걸리지 않을 것을 보장한다. 바이어스 선택기는, 대응하는 부유 웰이 역(reverse) 바이어스되도록 하는데 이용가능한 최고 전압을 선택하고 트랜지스터들이 전기적으로 과부하되지 않을 것을 보장한다. 입력에 관련된 단자들에 스위칭에 관련된 전압이 걸리기 때문에, 상기 바이어스 선택기는 이용가능한 최고 전압을 계속 선택하기 위해 다른 단자를 선택하고 정확한 역 바이어스 조건을 제공한다. 저항기 및 클램프는 상기 고유의 전원 전압 범위로 제한되는 전환된 출력 레벨을 생성한다. 래치의 동작은 상기 고유의 전원 전압을 넘는 제1 입력 신호의 진폭에 유발된다. 상기 래치 출력은 풀-다운(pull-down) 트랜지스터가 정확한 로우 레벨의 출력 신호를 공급하도록 한다.

집적 회로, 입력 회로, 바이어스, 부유 웰, 래치, 클램프, 트랜지스터, 트리거

Description

단일 전압 전원 상보형 금속산화물 반도체를 위한 자동 탐지 상보형 금속산화물 반도체 입력 회로{AUTO-DETECTING CMOS INPUT CIRCUIT FOR SINGLE-VOLTAGE-SUPPLY CMOS}

본 발명은 전자 회로에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 상대적으로 높은 전압을 자동으로 탐지하고 탐지된 외부 전압 레벨에 대응하는 고유(native) 전압 레벨에서 동작하는 입력 회로에 관한 것이다.

집적 회로(IC)는 최대 고유 동작 전압보다 높은 전압 레벨을 갖는 입력 신호를 수신하고 감지할 것이 요구되는 경우가 종종 있다. 상기 고유 전압 레벨은 일반적으로 전원 전압 레벨이다. 예를 들어, 1.2V 전원용으로 설계된 집적 회로에 있어서, 내부 회로 및 트랜지스터의 입력단들은 전기적 과부하에 의한 손상없이 트랜지스터의 게이트들(즉, 게이트 산화물)을 가로질러 최대 1.2V까지 견딜 수 있을 뿐이다. 종래 기술은 외부 입력 신호를 감지하기 위해 특수한 게이트 구조 또는 전압 레벨 이동(shifting) 기술을 자주 이용한다. 이러한 특수 기술들은, 동반되 는 높은 전압이 내부의 상보형 금속산화물 반도체(complementary metal-oxides semiconductor; CMOS) 트랜지스터에 도달하지 못하도록 하기 위해 사용된다. 이러한 기술들은 입력 신호 전압 레벨을 최대 VDD의 두 배까지 허용한다(즉, 1.2V 회로에 2.4V가 입력될 수 있음). 전원 전압의 2배를 넘는 전압은, 추가적인 처리 및 보다 고가인 이중 게이트(dual-gate), 이중 전원 CMOS 공정을 요구하는 다른(예컨대, 더 두꺼운) 게이트 트랜지스터를 필요로 한다. 참고로, 현재 1.2V에서 동작하는 종래의 이중 게이트, 이중 전원 CMOS 집적 회로는 3.3V 허용 트랜지스터 및 회로를 사용하여 3.3V 내지 5V 입력 신호를 처리한다(3.3V 디바이스에 대한 2배의 기준보다 훨씬 낮음).

높은 전압의 입력 신호를 수용하는 능력과 함께, 입력 회로는 주어진 외부 환경으로부터 들어오는 입력 신호에 대응하여 논리 상태 1 또는 "하이(high)" 신호 레벨에 대한 적절한 전압 레벨 및 논리 상태 0 또는 "로우(low)" 신호 레벨에 대한 적절한 전압 레벨을 감지할 필요가 있다. 예를 들어, 1.2V 입력 신호에 있어서, 상기 회로는 0.0 내지 0.6V 사이의 입력 신호를 논리 상태 0으로, 0.6 내지 1.2V 사이의 입력 전압 레벨을 논리 상태 1로 기록해야 한다. 3.3V 입력 신호에 있어서는, 상기 회로는 0 내지 1.65V 사이의 입력 신호 레벨을 논리 상태 0으로, 1.65 내지 3.3V 사이의 입력 신호 레벨을 논리 상태 1로 기록해야 한다. 적절한 논리 레벨을 기록하는 것은, 하이 레벨의 입력 레벨이 1.2V 내지 3.3V 영역에 있을 때 좀 더 어렵다.

고유 전원 전압 레벨 또는 고유 전원 레벨의 2배를 초과하는 외부 신호 전압 레벨에서 연산 신호 레벨을 수신할 수 있는 입력 회로가 요구된다. 상기 입력 회로는, 이러한 상승된 외부 신호 전압 레벨에서 동작할 것과 전기적 과부하 및 산화막 항복(oxide beakdown)에 노출된 입력 디바이스를 포함하지 않을 것이 요구된다.

본 발명은, 외부 전압 영역 및 입력 회로의 고유 전원 전압 레벨보다 실질적으로 큰 관련 신호 레벨에서의 전기적 통신을 위한 자동 탐지 입력 회로에 관한 것이다. 상기 입력 회로는 전원 전압 단자와 접지 단자 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 상기 입력 회로는 입력 패드로부터 전원-전압 단자까지 직렬로 연결된 세 개의 트랜지스터를 포함한다. 상기 세 개의 트랜지스터는 상기 입력 패드를 상기 전원-전압 단자에 전기적으로 연결하도록 구성된 PMOS(p-타입 금속산화물 반도체) 트랜지스터일 수 있다. 상기 고유 전원 전압 레벨을 초과하는 외부 전압을 견디기 위해, 상승된 전압 레벨에 노출되는 입력 회로 트랜지스터들은 캐스캐이드(cascade)식으로 접속된 부유 웰(floating well)들 내에 놓여지고 이에 따라 어떤 트랜지스터의 게이트 산화물도 미리 정의된 값, 예컨대 1.2V 보다 높은 전압에 노출되지 않는다.

웰-바이어스(well-bias) 선택기는 관련된 부유 웰에 연결되고 상기 관련된 부유 웰에 역 바이어스(reverse bias) 전압을 제공한다. 상기 부유 웰은 PMOS 트랜지스터를 포함하기 때문에, 그에 대응하는 웰-바이어스 선택기는 포함된 상기 트랜지스터를 위한 정확한 역 바이어스 레벨을 공급하는데 이용가능한 최고 전압을 선택한다. 부유 웰들과 웰 바이어스 선택기들은, 추가로 상승된 전압을 수용할 수 있도록, 본 발명의 실시예에서와 같이 캐스캐이드식으로 접속될 수 있다. 부유 웰들의 캐스캐이드식 접속은 상기 입력 회로가 상기 고유 전원 전압 레벨의 2배를 초과하는 외부 전압을 견딜 수 있도록 한다. 상기 입력 패드 상의 전기 신호에 따라서 웰 바이어스 선택기들은 전압에 따라 배열되는 입력 단자에 접속된다. 입력 패드에 나타나는 신호 레벨이 접지 전위와 같은 로우 레벨로부터 하이 레벨 전압으로 바뀜에 따라, 상기 웰 바이어스 선택기는 PMOS 트랜지스터를 포함하는 부유 웰을 역 바이어스시키는데 이용가능한 최고 전압을 유지하기 위하여 다른 입력 바이어스를 선택한다.

자동 탐지 입력 회로는 입력 패드에 인가되는 상대적으로 높은 전압을 견디고 대응하는 신호 레벨을 고유의 전원 전압 범위에서 생성한다. 상기 입력 회로는 부유 웰, 대응하는 바이어스 선택기, 및 입력 바이어스 트랜지스터를 포함하고, 외부 전압에 노출된 어떠한 게이트 산화물에도 미리 정의된 값보다 큰 전압이 걸리지 않을 것을 보장한다. 바이어스 선택기는, 대응하는 부유 웰이 역 바이어스되도록 하는데 이용가능한 최고 전압을 선택하고 트랜지스터들이 전기적으로 과부하되지 않을 것을 보장한다. 입력에 관련된 단자들에 스위칭에 관련된 전압이 걸리기 때문에, 상기 바이어스 선택기는 이용가능한 최고 전압을 계속 선택하기 위해 다른 단자를 선택하고 정확한 역 바이어스 조건을 제공한다. 저항기 및 클램프는 상기 고유의 전원 전압 범위로 제한되는 전환된 출력 레벨을 생성한다. 래치의 동작은 상기 고유의 전원 전압을 넘는 제1 입력 신호의 진폭에 의해 유발된다. 상기 래치 출력은 풀-다운(pull-down) 트랜지스터가 정확한 로우 레벨의 출력 신호를 공급하도록 한다.

도 1은 자동 탐지 입력 회로 100의 예시적인 실시예의 개략도이다. 입력 패드 IN은 트랜지스터 104 및 트랜지스터 108을 포함하는 탐지기 102에 접속된다. 탐지기 102는 또한 트랜지스터 112 및 트랜지스터 114를 포함하는 바이어스 선택기 110을 포함한다. 트랜지스터 112 및 트랜지스터 114는 웰-바이어스 단자 116에 연결되고, 상기 웰-바이어스 단자 116은 부유 웰 118에 연결된다. 부유 웰 118은 트랜지스터 104, 트랜지스터 108, 트랜지스터 112, 및 트랜지스터 114의 벌크(bulk) 단자에 연결된다.

트랜지스터 120은 전원-전압 단자 122와 중간 단자 124 사이에 연결된다. 트리거 126은 중간 단자 124에 연결되고 트랜지스터 128 및 트랜지스터 130을 포함한다. 트랜지스터 130은 캐패시터 132에 연결되고, 상기 캐패시터 132는 접지 단자 134에 연결된다. 트리거 126은 또한 트랜지스터 138 및 트랜지스터 140을 포함 하는 바이어스 선택기 136을 포함한다. 바이어스 선택기 136은 웰 바이어스 단자 142를 통해서 부유 웰 144에 연결된다. 트리거 126은 트리거 출력 단자 131을 통해서 래치 146에 연결된다. 래치 146은 인버터 148 및 인버터 150에 의해 형성되는 래치 루프(latch loop)를 포함한다. 인버터 152는 래치 146의 출력부에 연결된다.

전압 분배기 154는 입력 패드 IN과 출력 패드 OUT 사이에 연결된다. 전압 분배기 154는 트랜지스터 156 및 트랜지스터 158을 포함하고, 트랜지스터 156과 트랜지스터 158 모두 출력 패드 OUT과 접지 단자 134 사이에 연결된다. 저항기 160은 입력 패드 IN, 출력 패드 OUT, 및 접지 단자 134 사이에 연결된다. 클램프(clamp) 162는 전원-전압 단자 122와 출력 패드 OUT 사이에 연결된다. 클램프 162는 트랜지스터 164, 트랜지스터 168 및 트랜지스터 166을 포함한다. 트랜지스터 164 및 트랜지스터 166은 트랜지스터 168에 연결된다.

하나의 예시적인 실시예에서는, 자동 탐지 입력 회로 100이 외부의 신호 발생원으로부터 전기 신호를 수신하는 입력 회로의 일 예가 된다. 자동 탐지 입력 회로 100은, 버스 구조를 실현하기 위해 다른 집적 회로에 병렬로 제공되는 입력 회로의 몇 가지 예 중 하나일 수 있다. 본딩 와이어 또는 다른 접속 수단을 통해, 자동 탐지 입력 회로 100이 핀의 패키징 또는 유사한 단자에 전기적으로 연결되어 다른 집적 회로에 전기적으로 연결된다. 자동 탐지 회로 100이 연결되는 상기 집적 회로는 신호를 발생하기 위한 더 높은 전압 레벨에서 동작할 수 있다. 이미, 일반적인 입력 회로들은 최대한 상기 입력 회로에 공급되는 전원 전압 VDD의 약 2 배에서 최고의 입력 신호 레벨을 견딜 수 있다. 캐스캐이드식으로 접속된 부유 웰들을 결합함으로써, 자동 탐지 입력 회로 100은 실질적으로 전원 전압 VDD의 2배를 초과하는 입력 신호 레벨에 대응하는 전압을 견딜 수 있다.

도 2를 참조하면, 입력 패드 IN에서 수신된 입력 신호 레벨이 0볼트(V)와 1.2V(즉, 전원-전압 단자 122 상의 전원 전압 VDD에 대응됨) 사이에서 변하는 외부 신호 인터페이스 상황에서는, 거의 동일한 레벨로 출력 패드 OUT에서 출력 신호 레벨이 생성된다. 예를 들어, 입력 전압 VIN은 저항기 160(도 1)을 통해 출력 전압 VOUT으로서 출력 패드 OUT에 공급되는 입력 펄스 202 및 입력 펄스 204를 포함하고, 상기 출력 전압 VOUT은 대응되는 출력 펄스 210 및 출력 펄스 212를 포함한다. 입력 펄스 202, 입력 펄스 204, 출력 펄스 210 및 출력 펄스 212는 모두, 예를 들어, 실질적으로 0V 및 실질적으로 1.2V인 전원 전압 VDD 사이에서 움직인다.

상기 자동 탐지 입력 회로 100의 전원 전압 VDD의 전압 범위 내에 입력 신호가 존재할 때, 저항기 160은 상기 입력 신호를 실질적으로 변경하지 않고 상기 출력 패드 OUT으로 직접 통과시킨다. 저항기 160은, 예를 들어, 출력 패드 OUT에 입력 신호의 직접 선형 변환을 제공할 수 있을 만큼 충분히 낮은 온-채널 저항을 갖는 p-타입 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(PMOSFET)로 구현될 수 있다. 저항기 160의 게이트 입력은 접지 단자 134에 연결된다. 저항기 160의 저항은 실제로는, 예를 들어, 100오옴(Ω) 내지 10,000Ω이 될 수 있다.

입력 패드 IN에서 수신되는 입력 신호 레벨이 실질적으로 0V 내지 3.3V 사이에서 변하는 외부 신호 인터페이스 상황에서, 자동 탐지 입력 회로 100은 상승된 입력 신호 레벨을 자동으로 탐지하고 출력 패드 OUT에서 실질적으로 0V 내지 1.2V 범위의 신호 레벨로 변환을 일으킨다. 예를 들어, 자동 탐지 입력 회로 100은 상승된 입력 신호 레벨을 자동으로 탐지함으로써, 트랜지스터 게이트 입력과 같은 중요한 디바이스 단자에 걸리는 동작 전압 레벨을 유지하는 신호 레벨을 상기 반도체의 내부 회로에 공급한다.

더욱 높은 하이(high) 논리 레벨 신호가 입력 패드 IN에 인가되고 계속되는 입력 전압 VIN의 일부로서 자동 탐지 입력 회로 100에 의해 수신된다. 이러한 입력 전압 VIN의 일부는 상승된 외부 전압 VEXT의 입력 펄스 206 및 입력 펄스 208을 포함한다. 외부 전압 VEXT에서 신호를 수신하면 캐스캐이드식으로 접속된 부유 웰들의 편입과 대응되는 역 바이어스가 유발시켜, 상기 부유 웰들에 포함된 모든 트랜지스터들이 적절히 분리된다. 부유 웰들의 캐스캐이드식 접속과 역 바이어스의 유지는 입력 패드 IN 상의 외부 전압이 자동 탐지 입력 회로 100에 공급되는 전원 전압 VDD의 2배 이상으로 상승되는 것을 허용하고 상기 회로 내의 어떤 트랜지스터도 손상되지 않도록 한다.

예를 들어, 입력 패드 IN에 인가된 상승된 외부 전압 VEXT는 트랜지스터 104 및 트랜지스터 108을 통해 전기가 흐르도록 하는 게이트-소스간 전압을 생성한다. 동시에, 상승된 상기 외부 전압이 트랜지스터 112의 소스 단자 및 트랜지스터 114의 게이트 단자에 인가된다. 상승된 상기 외부 전압이 인가되기 전에, 중간 단자 124 상의 전압이 전원 전압 VDD의 일(one) PMOS 디바이스 문턱값(이하 논의됨) 내에 존재한다. 외부 전압 VEXT가 중간 단자 124 상의 전압을 넘어 일 PMOS 디바이 스 문턱값을 초과하기 때문에, 트랜지스터 112가 작동되고 웰-바이어스 단자 116과 부유 웰 118에 외부 전압을 공급한다. 부유 웰 118에 외부 전압이 공급되면, 트랜지스터 104, 트랜지스터 108, 트랜지스터 112 및 트랜지스터 114에 적절히 분리된 역 바이어스 전압이 공급된다. 이와 같은 웰의 바이어스는 트랜지스터 114의 게이트 단자에 이미 존재하는 외부 전압을 트랜지스터 114의 소스 단자에 연결된 웰-바이어스 단자 116에 공급한다. 트랜지스터 114의 게이트 단자와 소스 단자의 전압이 동일할 때, 트랜지스터 114는 작동하지 않고 위에서 설명한 웰-바이어스가 계속되도록 한다. 이러한 방식으로, 바이어스 선택기 110은 입력 패드 IN 또는 중간 단자 124의 어느 하나에서 이용가능한 가장 큰 전압을 선택하고 상기 전압을 부유 웰 118에 공급한다.

상승된 외부 전압을 입력 패드 IN에 인가하기 이전에는, 중간 단자 124가 부유하도록 하면서 상기 단자에 특정 전압 레벨을 구동하는 가동(active) 디바이스가 존재하지 않는다. 어떤 이유로 중간 단자 124의 전압 레벨이 높아진다면, 트랜지스터 120은 상기 디바이스가 온(on) 상태가 되게 하고 중간 단자 124를 전원-전압 단자 122의 전원 전압 VDD에 연결하는 작동 게이트-소스간 전압을 수신한다. 각각이 입력 패드 IN 및 전원-전압 단자 122 뿐만 아니라 중간 단자 124에 연결되는 바이어스 선택기 110 및 바이어스 선택기 136이 전압 선택기의 기능을 갖기 때문에, 둘 중 하나의 선택기에 인가된 가장 높은 전압이 부유 웰 118과 부유 웰 144에 각각 공급되어 각각의 웰 내에 포함된 모든 디바이스들이 언제나 적절히 역 바이어스될 것을 보장한다. 부유 웰 118과 부유 웰 144가 캐스캐이드식으로 접속되어(즉, 중간 단자 124를 공유) 입력 패드 IN에서 추가로 상승된 전압을 수용할 수 있다.

입력 패드 IN에 인가된 외부 전압이 이(2) PMOS 디바이스 문턱값에 동일한 레벨 이상으로 상승함에 따라, 트랜지스터 104 및 트랜지스터 108이 온 상태가 되고 중간 단자 124의 전압도 상승한다. 중간 단자 124의 전압이 전원 전압 VDD를 넘어 일 PMOS 디바이스 문턱값까지 상승함에 따라, 트랜지스터 120이 가동되고 도전성을 갖는다. 트랜지스터 120은 약한 디바이스이고 트랜지스터 104 및 108을 통해서 VIN으로부터 공급되는 모든 전류를 흡수할 수 없다. 따라서, 트랜지스터 120은 소스-드레인간 전압 강하를 발달시키고 단자 124가 전원 전압 VDD를 넘어 p-채널 문턱 전압 Vthp 이상으로 상승하도록 한다. 트랜지스터 120은, 단자 124가 어떤 바이어스 조건에서도 부유 웰 144에 포함된 디바이스를 손상시킬 수 있는 전압까지 상승하지 않도록 한다.

중간 단자 124의 전압이 전원 전압 VDD(전원-전압 단자 122 상의 전압)를 넘어 일 PMOS 디바이스 문턱값과 같거나 그보다 큰 레벨까지 상승함에 따라, 트랜지스터 128이 온 상태가 되고 도전성을 갖는다. 또한, 중간 단자 124에서의 전압이 전원-전압 단자 122의 전압(즉, 전원 전압 VDD)을 넘어 일 PMOS 디바이스 문턱값을 초과함에 따라, 트랜지스터 138이 작동되고 중간 단자 124의 전압을 웰-바이어스 단자 142 및 부유 웰 144에 공급한다. 부유 웰 144에 중간 단자 124의 전압이 공급되면, 트랜지스터 138, 트랜지스터 140, 트랜지스터 128 및 트랜지스터 120에 적절히 분리된 역 바이어스 전압이 공급된다. 이러한 웰의 바이어스는 트랜지스터 140의 게이트 단자에 걸리는 중간 단자 124의 전압을 트랜지스터 140의 소스 단자 에 연결되는 웰-바이어스 단자 142에 공급한다. 따라서, 트랜지스터 140은 작동하지 않고 위에서 설명한 웰-바이어스가 계속되도록 한다. 이러한 방식으로, 바이어스 선택기 136은 중간 단자 124 또는 전원-전압 단자 122의 어느 하나에서 이용가능한 가장 큰 전압을 선택하고 상기 전압을 부유 웰 144에 공급한다.

트랜지스터 128의 가동에 더하여, 전원-전압 단자 122에 연결된 게이트 단자를 갖는 트랜지스터 130도 온 상태가 되고 캐패시터 132의 충전이 개시되도록 한다. 캐패시터 132가 충전됨에 따라, 트리거 출력 단자 131 상의 전압이 상승하고 인버터 148의 논리적 문턱값에 도달하면, 인버터 150과의 교차 연결(cross coupling)을 통해 래치 146의 동작을 유발(triggering)한다. 래치 146의 동작이 유발되면, 인버터 152를 통해 낮은 레벨의 전압이 트랜지스터 156의 게이트 단자에 공급되고, 높은 레벨의 전압이 트랜지스터 158의 게이트 단자에 공급된다. 트랜지스터 156 및 트랜지스터 158은 출력 패드 OUT 상의 전압이 접지 단자 134 상의 접지 VSS 이상으로 상승하면 언제든 가동되고 도전성을 갖는다.

입력 패드 IN에 입력 펄스 206이 인가되면, 출력 패드 OUT의 전압이 출력 펄스 218의 시작 부분에 도시된 바와 같이 상승하기 시작한다. 출력 패드 OUT의 전압이 접지 VSS를 넘어 일 NMOS 디바이스 문턱값을 초과하면, 트랜지스터 164가 가동되고 트랜지스터 166과 함께 클램프 162 내의 트랜지스터 168의 게이트 단자에 가동 전압을 공급한다. 트랜지스터 168이 가동되어, 출력 패드 OUT의 상승 전압이 전원 전압 VDD를 넘어 일 PMOS 디바이스 문턱값을 초과하면, 트랜지스터 168은 도전성을 갖고 출력 전압 VOUT을 오프셋 전압 216으로 클램핑한다. 트랜지스터 164 및 트랜지스터 168을 가동시키는 동안에 이들 디바이스들의 동작을 유발하는 과정의 산물로서 펄스 214가 나타날 수 있다.

입력 펄스 206에 이은 입력 펄스 208의 인가에 의해 트리거 펄스 220(출력 펄스 222 내에 위치)이 트리거 펄스 214와 유사한 이유로 발생한다. 트리거 펄스 220의 크기는 트리거 펄스 214의 크기보다 현저히 작다. 트리거 펄스 220은 래치 146의 동작이 유발되고 트랜지스터 156 및 트랜지스터 158이 가동된 후에 발생한다. 트리거 펄스 220은 자동 탐지 입력 회로 100 외부의 소스(도시되지 않음)가 가동 디바이스 트랜지스터 156 및 트랜지스터 158에 대해서 출력 전압 VOUT을 구동해야 할 때 발생한다. 트리거 펄스 220의 크기가 트리거 펄스 214에 비해 작은 것은 이러한 조건에 원인이 있다. 트리거 펄스 214가 형성되는 중에는 트랜지스터 156 및 트랜지스터 158의 도전성 채널이 존재하지 않는다. 래치 146을 설정(set)하기 위해 입력 펄스 206이 발생되어야 하기 때문이다.

래치 146의 설정에 이어, 출력 펄스 222와 같은 출력 펄스들은 추가적인 펄스형 트리거 펄스 220을 포함하고 오프셋 전압 216으로 안정된다. 오프셋 전압 216은 트랜지스터 168의 동작이 유발된 후 상기 트랜지스터 168을 가로질러 발생한 전압 강하에 기인하여 출력 패드 OUT 상에서 생성되는 전압의 크기인데, 만약 그렇지 않았을 때 출력 패드 OUT 상에서 높은 레벨의 전압이 발생할 것에 대비해 전원 전압 VDD로 클램핑시키기 위한 것이다. 오프셋 전압 216의 크기는 회로 내의 트랜지스터에 신뢰성 문제를 일으킬만큼 크지 않다. 오히려, 오프셋 전압 216은, VIN의 동작 전압 범위가 0 내지 1.2V인지 또는 0 내지 3.3V인지에 무관하게, VIN과 VOUT 간의 선형 관계가 가능한 1:1의 비율에 가까울 것을 보장한다.

도 3을 참조하면, 입력 패드 IN에서 수신된 입력 신호 레벨이 0V와 1.2V(즉, 전원-전압 단자 122 상의 전원 전압 VDD에 대응됨) 사이에서 변하는 외부 신호 인터페이스 상황에서, 거의 동일한 레벨로 출력 패드 OUT에서 출력 신호 레벨이 생성된다. 도 3의 신호 발생은 도 2의 입력 신호 발생과 대체로 상응하고 도 1의 회로와 동일한 방식으로 대응한다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 시뮬레이션 입력 신호가 낮은 속도로 변하고 준-dc(quasi-dc)형의 출력 응답 VOUT을 나타낸다. 출력 신호 레벨들은 출력 패드 OUT에서 실질적으로 동일한 레벨로 생성된다. 예를 들어, 입력 전압 VIN은 저항기 160(도 1)을 통해 출력 전압 VOUT으로서 출력 패드 OUT에 공급되는 입력 펄스 302 및 입력 펄스 304를 포함하고, 상기 출력 전압 VOUT은 대응되는 출력 펄스 310 및 출력 펄스 312를 포함한다.

"펄스"라는 용어의 사용은 식별의 목적으로 신호 입력 또는 출력을 묘사하고, 도 3의 펄스는 낮은 시간 변화율로 생성된다는 점에 유의한다. 입력 펄스 302, 입력 펄스 304, 출력 펄스 310 및 출력 펄스 312는 모두, 예를 들어, 실질적으로 0V와 실질적으로 1.2V인 전원 전압 VDD 사이에서 움직인다. 오프셋 전압 316의 크기는 상기 회로에 포함된 트랜지스터에 신뢰성 문제를 야기할 정도로 크지 않다. 오히려, 오프셋 전압 316은 VIN과 VOUT 사이의 선형 관계를 보장하여 가능한 1:1의 비율에 가깝도록 유지한다. 상기 선형성은 VIN의 동작 전압 범위가 0 내지 1.2V인지 또는 0 내지 3.3V인지에 관계없이 유지된다.

입력 패드 IN에 입력 펄스 306이 인가되면, 출력 패드 OUT의 전압은 출력 펄 스 318의 시작부에 도시된 바와 같이 상승하기 시작한다. 출력 패드 OUT의 전압이 접지 VSS를 넘어 일 NMOS 디바이스 문턱값을 초과할 때, 트랜지스터 164가 가동되고 트랜지스터 166과 함께 클램프 162 내의 트랜지스터 168의 게이트 단자에 가동 전압을 공급한다. 트랜지스터 168이 가동되고, 출력 패드 OUT의 전압이 상승하여 전압 공급 VDD를 넘어 일 PMOS 디바이스 문턱값을 초과할 때, 트랜지스터 168이 도전성을 갖고 출력 전압 VOUT을 오프셋 전압 316으로 클램핑한다. 트랜지스터 164 및 트랜지스터 168을 가동하는 동안에 이들 디바이스들의 동작을 유발하는 과정의 산물로서 펄스 314가 나타날 수 있다.

입력 펄스 306에 이어서 입력 펄스 308이 인가되고, 트리거 펄스 314에 대응하는 어떤 동작도 일어나지 않는다. 입력 펄스 308의 입력 조건의 변화율이 낮기 때문에, 클램프 162가 출력 패드 OUT에 오프셋 전압 316에서 선형 출력 응답을 공급한다. 펄스 322의 인접 상승 에지는, 래치 146의 동작이 유발되고 트랜지스터 156과 트랜지스터 158이 가동된 후에 발생하는데 이는 앞서 논의한 사항과 대응된다. 오프셋 전압 316의 크기는 상기 회로 내의 트랜지스터에 신뢰성 문제를 야기할 정도로 크지 않다. 오히려, 오프셋 전압 316은, VIN의 동작 전압 범위가 0 내지 1.2V 인지 또는 0 내지 3.3V 인지에 무관하게, VIN과 VOUT 사이의 선형 관계가 가능한 1:1의 비율에 가까울 것을 보장한다.

스위치들의 다양한 예시적인 실시예들이 소개되었고, 그 중 하나의 스위치는 NMOS 또는 PMOS 트랜지스터로서 대표된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 스위치의 다른 실시예가 존재한다는 것을 용이하게 인식할 것이 다. 예를 들어, 반도체 기판 내의 스위치는 예를 들어, JFET 또는 IGFET 트랜지스터로서 제조될 수 있다. 위에서 언급된 예시적인 실시예들은 상기 실시예들을 구현하는 다른 수단들과 결합될 수 있고 본 발명의 권리범위를 제한하는 것으로 인식되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 입력 회로의 개념도이다.

도 2는 도 1의 입력 회로의 전기적 특성의 파형도이다.

도 3은 도 1의 입력 회로의 전기적 특성의 파형도이다.

Claims

전원-전압(supply-voltage) 단자와 접지 단자 사이에 배치되는 자동 탐지 입력 회로에 있어서,

상기 전원-전압 단자와 출력 패드에 연결되고 상기 출력 패드를 상기 전원-전압 단자에 전기적으로 연결하는 클램프(clamp);

입력 패드에 연결되고 탐지 신호를 생성하는 탐지기;

상기 입력 패드와 상기 출력 패드 사이에 연결되고 입력 전압 레벨을 출력 전압 레벨로 전환하는 전압 분배기; 및

상기 전압 분배기에 연결되고 트리거 신호를 보유하는 래치를 포함하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 탐지기는,

상기 입력 패드에 연결되는 소스 단자, 게이트 단자, 및 부유 웰(floating well)에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 제1 트랜지스터 - 상기 게이트 단자는 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단자에 연결됨 - ; 및

상기 제1 트랜지스터의 상기 드레인 단자에 연결되는 소스 단자, 게이트 단자, 및 상기 부유 웰에 연결되는 제2 트랜지스터 - 상기 게이트 단자는 상기 제2 트랜지스터의 드레인 단자 및 중간 단자에 연결됨 - 를 포함하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 탐지기는 바이어스 선택기를 포함하고, 상기 바이어스 선택기는,

상기 입력 패드에 연결되는 제1 전류 이송 단자, 중간 단자에 연결되는 게이트 단자, 부유 웰에 연결되는 제2 전류 이송 단자, 및 상기 부유 웰에 연결되는 본체 단자를 포함하는 제1 트랜지스터; 및

상기 부유 웰에 연결되는 제1 전류 이송 단자, 상기 입력 패드에 연결되는 게이트 단자, 상기 중간 단자에 연결되는 제2 전류 이송 단자, 및 상기 부유 웰에 연결되는 본체 단자를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 탐지기는 상기 입력 패드, 중간 단자 및 웰-바이어스 단자에 연결되는 바이어스 선택기를 포함하고,

상기 바이어스 선택기는 상기 입력 패드 또는 상기 중간 단자에 나타나는 전압 레벨 중 크기가 가장 큰 전압 레벨을 선택하고 상기 선택된 전압 레벨을 상기 웰-바이어스 단자에 공급하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 전압 분배기는,

상기 입력 패드에 연결되는 제1 전류 이송 노드, 상기 출력 패드에 연결되는 제2 전류 이송 노드, 및 상기 접지 단자에 연결되는 제3 단자를 포함하는 저항기;

상기 출력 패드에 연결되는 소스 단자, 상기 래치의 출력 단자에 연결되는 게이트 단자, 상기 접지 단자에 연결되는 드레인 단자, 및 상기 전원-전압 단자에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 제1 트랜지스터; 및

상기 접지 단자에 연결되는 벌크 단자 및 소스 단자, 상기 래치의 출력 단자에 연결되는 게이트 단자, 및 상기 출력 패드에 연결되는 드레인 단자를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하고,

상기 전압 분배기는 상기 트리거 신호에 의해 가동되는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 클램프 회로는,

상기 전원-전압 단자에 연결되는 벌크 단자 및 소스 단자, 및 게이트 단자를 포함하는 제1 트랜지스터 - 상기 게이트 단자는 상기 제1 트랜지스터의 드레인 단 자에 연결됨 - ;

상기 제1 트랜지스터의 상기 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 출력 패드에 연결되는 게이트 단자, 및 상기 접지 단자에 연결되는 벌크 단자 및 소스 단자를 포함하는 제2 트랜지스터; 및

상기 접지 단자에 연결되는 제1 전류 이송 단자, 상기 제1 트랜지스터의 상기 드레인 단자에 연결되는 게이트 단자, 상기 출력 패드에 연결되는 제2 전류 이송 단자, 및 상기 전원-전압 단자에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 제3 트랜지스터를 포함하고,

상기 클램프 회로는 상기 출력 패드 상의 상승된 하이(high) 로직 레벨에 의해 가동되고 상기 출력 패드를 오프셋 전압 레벨로 클램핑하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

트리거 회로를 더 포함하되,

상기 트리거 회로는,

중간 단자에 연결되는 소스 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 게이트 단자, 부유 웰에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 제1 트랜지스터;

상기 제1 트랜지스터의 상기 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 게이트 단자, 트리거 출력 단자에 연결되는 소스 단자, 및 부유 웰에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 제2 트랜지스터; 및

상기 트리거 출력 단자 및 접지 단자에 연결되는 캐패시터를 포함하고,

상기 트리거 회로는 상기 탐지 신호에 대응하는 상기 트리거 신호를 생성하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

트리거 회로를 더 포함하되,

상기 트리거 회로는 바이어스 선택기를 포함하고, 상기 바이어스 선택기는,

중간 단자에 연결되는 제1 전류 이송 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 게이트 단자, 부유 웰에 연결되는 제2 전류 이송 단자, 및 상기 부유 웰에 연결되는 본체 단자를 포함하는 제1 트랜지스터; 및

상기 부유 웰에 연결되는 제1 전류 이송 단자, 상기 중간 단자에 연결되는 게이트 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 제2 전류 이송 단자, 및 상기 부유 웰에 연결되는 본체 단자를 포함하는 제2 트랜지스터를 포함하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

트리거 회로를 더 포함하되,

상기 트리거 회로는 상기 전원-전압 단자, 중간 단자 및 부유 웰에 연결되는 바이어스 선택기를 포함하고, 상기 바이어스 선택기는 상기 전원-전압 단자 또는 상기 중간 단자에 나타나는 전압 레벨 중 크기가 가장 큰 전압 레벨을 선택하고 상기 선택된 전압 레벨을 상기 부유 웰에 공급하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

상기 래치는,

상기 검출기에 연결되는 입력 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 제1 전력 단자, 상기 접지 단자에 연결되는 제2 전력 단자, 및 출력 단자를 포함하는 제1 인버터; 및

상기 제1 인버터의 상기 출력 단자에 연결되는 입력 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 제1 전력 단자, 상기 접지 단자에 연결되는 제2 전력 단자, 및 상기 제1 인버터의 상기 입력 단자에 연결되는 출력 단자를 포함하는 제2 인버터를 포함하고,

상기 제1 인버터 및 제2 인버터는 교차 연결(cross-coupling)되고 래치 루프를 구성하는 자동 탐지 입력 회로.
제1항에 있어서,

중간 단자에 연결되는 소스 단자, 상기 전원-전압 단자에 연결되는 드레인 단자 및 게이트 단자, 및 부유 웰에 연결되는 벌크 단자를 포함하는 트랜지스터를 더 포함하되,

상승된 입력 전압이 상기 입력 패드에서 수신될 때 상기 트랜지스터가 상기 중간 단자에 바이어스 레벨을 생성하는 자동 탐지 입력 회로.