KR20130131070A - Voltage level shifter - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a voltage level shifter which changes a voltage level of an input signal and outputs the changed input signal, and a voltage level shifter according to one embodiment of the present invention includes: a signal input unit for swinging a voltage level of an input signal using an inverter which receives a first voltage; a level conversion unit for converting a signal of the first voltage level into a signal of a second voltage level using a current mirror structure which receives the second voltage; an output buffer for outputting a signal of the second voltage level converted through the level conversion unit using an inverter which receives the second voltage; and a delay cell for preventing a static current of the mirror structure through the inverter receiving the second voltage in a logic-high section. [Reference numerals] (10) Signal input unit;(20) Level conversion unit;(31) Output buffer;(32) Delay cell;(AA) Input signal;(BB) First voltage;(CC) Second voltage;(DD) Output signal

Description

전압 레벨 쉬프터{Voltage level shifter}Voltage level shifter

본 발명은 전압 레벨을 변경하는 레벨 쉬프터에 관한 것으로, 특히 낮은 전압 레벨을 높은 전압 레벨로 변경하는 CMOS 전압 레벨-업(level-up) 쉬프터에 관한 것이다.The present invention relates to a level shifter for changing a voltage level, and more particularly to a CMOS voltage level-up shifter for changing a low voltage level to a high voltage level.

최근의 반도체 메모리 소자는 고집적화 및 고용량화 등이 요구됨에 따라 반도체 칩 내에 보다 많은 반도체 메모리 소자를 집적하기 위하여 디자인 룰(design rule)이 계속해서 축소되고 있다. 그리고 반도체 메모리 소자의 고집적화 및 고용량화가 진행될수록 반도체 메모리 소자의 소비 전력 역시 증가하게 되므로 소비 전력을 감소시키기 위하여 많은 노력들이 진행되고 있다.Recently, as semiconductor memory devices require high integration and high capacity, design rules continue to be reduced in order to integrate more semiconductor memory devices in a semiconductor chip. In addition, since the power consumption of the semiconductor memory device increases as the integration and capacity of the semiconductor memory device increase, many efforts have been made to reduce the power consumption.

시스템의 전력소모를 줄이기 위해 각각의 소자에 대해 다양한 전압이 사용된다. 따라서 서로 다른 전압 사이에서 신호의 전달을 정확히 하기 위해서는 레벨 쉬프터(level shifter) 회로를 필요로 한다. 특히, 전압 레벨-업(level-up) 쉬프터는 낮은 전압 스윙을 높은 전압 스윙으로 변환시키는 회로로 메모리 디바이스, I/O 인터페이스 회로, DC-DC 컨버터 등 다양한 반도체 IC 회로에서 적용되고 있다.Different voltages are used for each device to reduce power consumption of the system. Therefore, a level shifter circuit is required to accurately transfer signals between different voltages. In particular, the voltage level-up shifter is a circuit for converting a low voltage swing into a high voltage swing, and is applied to various semiconductor IC circuits such as memory devices, I / O interface circuits, and DC-DC converters.

이하에서 제시되는 비특허문헌에는 이러한 전압 레벨 쉬프터의 대표적인 유형 및 그 구조를 소개하고 있다.The non-patent literature presented below introduces typical types and structures of such voltage level shifters.

K.-H. Koo, J.-H. Seo, M.-L. Ko, and J.-W. Kim, “A new level-up shifter for high speed and wide range interface in ultra deep sub-micron,” in Proc. ISCAS, May 2005, vol. 2, pp. 1063-1065. K.-H. Koo, J.-H. Seo, M.-L. Ko, and J.-W. Kim, “A new level-up shifter for high speed and wide range interface in ultra deep sub-micron,” in Proc. ISCAS, May 2005, vol. 2, pp. 1063-1065.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래의 전압 레벨 쉬프터에서 교차-커플(cross-coupled) 방식을 채택함으로 인해 전압 레벨 변환이 지연되는 문제점을 해결하고, 전류 미러(current mirror) 구조에서 발생하는 정전류(static current)로 인해 파워 소모가 증가하는 한계를 극복하고자 한다.The technical problem to be solved by the present invention is to solve the problem that the voltage level conversion is delayed by adopting the cross-coupled method in the conventional voltage level shifter, and the constant current generated in the current mirror structure We want to overcome the limitation of increased power consumption due to static current.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터(level shifter)는, 제 1 전압을 공급받는 인버터(inverter)를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙(swing)하는 신호 입력부; 제 2 전압을 공급받는 전류 미러(current mirror) 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 레벨 변환부; 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 출력 버퍼(buffer); 및 논리 하이(logic high) 구간에서 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연(delay)을 통해 상기 미러 구조의 정전류(static current)를 방지하는 지연 셀(delay cell);을 포함한다.In order to solve the above technical problem, the voltage level shifter for changing and outputting the voltage level of the input signal according to an embodiment of the present invention, the input by using an inverter supplied with a first voltage (inverter) A signal input unit swinging a voltage level of a signal to the first voltage; A level converting unit converting the signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level by using a current mirror structure receiving a second voltage; An output buffer for outputting a signal of the converted second voltage level by using the inverter supplied with the second voltage; And a delay cell which prevents a static current of the mirror structure through a delay using an inverter supplied with the second voltage in a logic high period.

일 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 지연 셀은, 상기 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터(transistor)를 오프(off)시키는 파워 다운(power down)을 이용함으로써 상기 정전류에 의한 파워 소모를 방지한다.In the voltage level shifter according to an embodiment, the delay cell is caused by the constant current by using a power down to turn off a transistor constituting the mirror structure in the logic high period. Prevent power consumption

일 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부는, 소스(source) 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인(drain) 단자가 제 1 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트(gate)에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터; 소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 1 노드와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 2 노드와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터의 소정 배율만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 제 1 노드와 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터; 및 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터의 게이트, 제 4 트랜지스터의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터;를 포함하고, 상기 제 2 노드를 통해 상기 미러 구조에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨의 신호를 상기 출력 버퍼로 출력한다.In the voltage level shifter according to an exemplary embodiment, the level converter may include a source terminal connected to a ground power source and a drain terminal connected to a first node to be applied to a gate from the signal input unit. A first transistor for switching according to a signal of a first voltage level; A second transistor having a source terminal connected to the ground power supply and a drain terminal connected to a second node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate; A third transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the first node such that a current according to a second voltage level flows in a logic high period; A fourth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, connected to the drain terminal with the second node, and configured to flow a current by a predetermined magnification of the third transistor by forming a current mirror structure with the third transistor; A fifth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to a first node and switching according to a signal applied from the delay cell to a gate; And a second terminal supplied with the second voltage through a source terminal, and a drain terminal connected to a gate of the third transistor, a gate of a fourth transistor, and a source terminal of the fifth transistor, in response to a signal applied from the delay cell to the gate. And a sixth transistor for switching, and outputs a signal of a second voltage level amplified by the mirror structure through the second node to the output buffer.

일 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부는, 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅(floating)되는 것을 방지하는 PMOS 트랜지스터;를 포함한다.In the voltage level shifter according to an embodiment, the level converting unit may output an output of a node supplying a high signal to the output buffer as the transistor constituting the mirror structure is turned off in a logic high period. It includes; PMOS transistor to prevent.

일 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 지연 셀은, 상기 제 2 전압을 공급받아 상기 레벨 변환부를 통해 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 반전시키는 제 5 인버터; 및 상기 제 2 전압을 공급받아 상기 반전된 제 2 전압 레벨의 신호를 재반전시키는 제 6 인버터;를 포함하고, 상기 제 5 인버터 및 상기 제 6 인버터의 출력 신호를 상기 레벨 변환부를 구성하는 트랜지스터의 게이트에 각각 인가함으로써 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터를 오프시킨다.In the voltage level shifter according to an embodiment, the delay cell may include: a fifth inverter configured to receive the second voltage and invert a signal of a second voltage level converted through the level converter; And a sixth inverter configured to receive the second voltage to reinvert the signal of the inverted second voltage level, and to output the output signals of the fifth inverter and the sixth inverter to the level converter. The transistors constituting the mirror structure are turned off in the logic high period by applying them to the gates, respectively.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터는, 제 1 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙하는 신호 입력부; 제 2 전압을 공급받는 전류 미러 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 레벨 변환부; 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 출력 버퍼; 및 논리 하이의 경우 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연을 통해 상기 미러 구조의 정전류를 방지하는 지연 셀;을 포함하고, 상기 레벨 변환부는, 상기 신호 입력부로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압(low voltage)용 트랜지스터 및 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터를 구비함으로써 고속으로 전압 레벨을 변환한다.In order to solve the above technical problem, the voltage level shifter for changing and outputting the voltage level of the input signal according to another embodiment of the present invention, the voltage level of the input signal by using an inverter supplied with the first voltage; A signal input unit swinging at one voltage; A level converting unit converting the signal of the first voltage level into the signal of the second voltage level using a current mirror structure supplied with a second voltage; An output buffer configured to output a signal of the converted second voltage level using an inverter supplied with the second voltage; And a delay cell for preventing a constant current of the mirror structure through a delay using an inverter supplied with the second voltage in the case of logic high, wherein the level converter is configured to input a signal having a first voltage level from the signal input unit. A low voltage transistor and a low voltage transistor having a current mirror structure for converting a signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level convert the voltage level at high speed.

다른 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부는, 상기 신호 입력부로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압용 트랜지스터와 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터 사이에 산화막파괴(oxide breakdown)를 방지하는 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형태로 연결한다.In the voltage level shifter according to another embodiment, the level converter, the low voltage transistor receiving the signal of the first voltage level from the signal input unit and the signal of the first voltage level to the signal of the second voltage level Transistors that prevent oxide breakdown are connected in a cascode form between the low voltage transistors of the current mirror structure to be converted.

나아가, 다른 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부를 구성하는 트랜지스터의 드레인-소스 전압과 게이스-소스 전압이 상기 산화막파괴를 발생시키는 전압 레벨을 넘지 않도록, 상기 캐스코드 형태로 연결된 트랜지스터의 게이트에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가한다.Further, in the voltage level shifter according to another embodiment, the transistor connected in the cascode form such that the drain-source voltage and the gate-source voltage of the transistors constituting the level converter do not exceed the voltage level that causes the oxide breakdown. A bias voltage is applied to the gate of.

다른 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부는, 소스 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 1 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터; 소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 4 노드와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터의 소정 배율만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드와 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터; 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터의 게이트, 제 4 트랜지스터의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터; 소스 단자가 상기 제 1 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 7 트랜지스터; 소스 단자가 상기 제 2 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 8 트랜지스터; 소스 단자가 상기 제 3 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 9 트랜지스터; 및 소스 단자가 상기 제 4 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 10 트랜지스터;를 포함하고, 상기 제 6 노드를 통해 상기 미러 구조에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨의 신호를 상기 출력 버퍼로 출력한다.In the voltage level shifter according to another embodiment, the level converter is switched in accordance with the signal of the first voltage level is applied to the gate from the signal input portion is connected to the source terminal and the drain terminal is connected to the first node A first transistor; A second transistor having a source terminal connected to the ground power supply and a drain terminal connected to a second node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate; A third transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the third node such that a current according to a second voltage level flows in a logic high period; A fourth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, connected with the drain terminal to the fourth node, and configured to flow a current by a predetermined magnification of the third transistor by forming a current mirror structure with the third transistor; A fifth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the third node and switching according to a signal applied from the delay cell to a gate; The second voltage is supplied through a source terminal, and a drain terminal is connected to a gate of the third transistor, a gate of a fourth transistor, and a source terminal of the fifth transistor, and is switched according to a signal applied from the delay cell to the gate. A sixth transistor; A seventh transistor having a source terminal connected to the first node and a drain terminal connected to a fifth node to switch according to a bias voltage applied to the gate; An eighth transistor having a source terminal connected to the second node and a drain terminal connected to a sixth node to switch according to the bias voltage applied to the gate; A ninth transistor connected to the third node with a source terminal connected to the third node, and switched according to the bias voltage applied to the gate; And a tenth transistor having a source terminal connected to the fourth node and a drain terminal connected to a sixth node to switch according to the bias voltage applied to a gate, and through the sixth node by the mirror structure. A signal of the amplified second voltage level is output to the output buffer.

또한, 다른 실시예에 따른 상기 전압 레벨 쉬프터에서, 상기 레벨 변환부는, 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 상기 제 3 트랜지스터 및 상기 제 4 트랜지스터가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅되는 것을 방지하는 PMOS 트랜지스터;를 포함한다.In the voltage level shifter according to another embodiment, the level converter is configured to supply a high signal to the output buffer as the third transistor and the fourth transistor constituting the mirror structure are turned off in a logic high period. And a PMOS transistor for preventing the output of the node from floating.

본 발명의 실시예들은 전류 미러 구조의 레벨 쉬프터의 논리 하이(logic high) 구간에서 파워 다운(power down) 기술을 이용하여 전류 미러 구조의 정전류(static current)의 소모를 억제함과 동시에 빠른 전압 레벨 변환을 보장할 수 있고, 전류 미러 구조에 추가적인 PMOS 트랜지스터를 구비함으로써 파워 다운시에 발생하는 플로팅 노드를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예는 레벨 쉬프터를 구현함에 있어서 로우 전압(low voltage)용 트랜지스터를 이용하여 전류 미러 구조를 구성하고, 산화막파괴(oxide breakdown)를 방지하는 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형태로 연결함으로써 전압 레벨 변환시 보다 빠른 변환 시간을 제공할 수 있다.Embodiments of the present invention use a power down technique in a logic high section of a level shifter of a current mirror structure to suppress the consumption of the static current of the current mirror structure and at the same time, a high voltage level. Conversion can be assured, and additional PMOS transistors in the current mirror structure can prevent floating nodes from occurring during power down. In another embodiment of the present invention, a current mirror structure is formed by using a low voltage transistor in implementing a level shifter, and a cascode type transistor is used to prevent oxide breakdown. Faster conversion time can be provided during voltage level conversion.

도 1은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 전압 레벨을 변경하는 레벨 쉬프터의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 전압 레벨을 변경하는 레벨 쉬프터의 다른 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 전압 레벨 쉬프터를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐스코드 구조를 채택한 전압 레벨 쉬프터를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 전압 레벨 쉬프터 회로의 시뮬레이션 파형을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 5의 전압 레벨 쉬프터 회로의 시뮬레이션 파형을 예시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들과 도 1 및 도 2를 통해 소개된 레벨 쉬프터들의 지연시간을 비교한 도면이다.
1 is a view showing an example of a level shifter for changing a voltage level in the technical field to which the present invention belongs.
2 is a view showing another example of a level shifter for changing a voltage level in the technical field to which the present invention belongs.
3 is a block diagram illustrating a voltage level shifter for changing and outputting a voltage level of an input signal according to an embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram illustrating the voltage level shifter of FIG. 3 in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram illustrating a voltage level shifter employing a cascode structure according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a simulation waveform of the voltage level shifter circuit of FIG. 4 in accordance with an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a simulation waveform of the voltage level shifter circuit of FIG. 5 according to another embodiment of the present invention.
8A and 8B are diagrams comparing delay times of the level shifters introduced through the embodiments of the present invention and FIGS. 1 and 2.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 본 발명의 실시예들이 구현되는 환경, 즉 입력 신호의 전압 레벨을 변환하여 출력하는 상황에서 활용되는 통상적인 기술들에 대해 도 1 내지 도 2를 통해 간략히 소개하고, 이들 구현 환경에서 발생할 수 있는 구조적인 문제점을 제시하고자 한다.Before describing the embodiments of the present invention, a brief introduction of the conventional techniques used in the environment in which the embodiments of the present invention are implemented, that is, in the case of converting and outputting a voltage level of an input signal, will be described with reference to FIGS. In addition, it is intended to present structural problems that may occur in these implementation environments.

앞서 간략히 소개한 바와 같이 서로 다른 전압 사이에서 정확히 신호를 전달하기 위해 레벨 쉬프터가 활용되며, 반도체 회로 기술 분야에서는 현재까지 많은 회로 설계자들에 의해 다양한 레벨 컨버터 기술들이 개발되었다. 도 1 내지 도 2는 대표적인 전압 레벨-업 쉬프터를 예시한 것으로, 이들 레벨 쉬프터의 동작에 관한 보다 구체적인 설명은 본 발명의 본질을 흐릴 우려가 있으므로, 여기서는 각각 그 구조와 특성에 대해서만 간략히 소개하도록 한다.As briefly introduced above, level shifters are used to accurately transfer signals between different voltages. In the field of semiconductor circuit technology, various level converter technologies have been developed by many circuit designers to date. 1 to 2 illustrate exemplary voltage level-up shifters, and more detailed descriptions of the operation of these level shifters may obscure the nature of the present invention. .

도 1은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 전압 레벨을 변경하는 레벨 쉬프터의 일례를 도시한 도면으로서, 일반적으로 Type I 방식이라 부르는 레벨 쉬프터에 해당한다. 도 1의 레벨 쉬프터는 풀 아웃풋 스윙(full output swing)을 생성하기 위해 교차 커플(cross-coupled) 소자들(110)(M3, M4)로 구성된 양의 피드백 네트워크(positive feedback network)을 이용하며, 누설 전류(leakage current) 없이 VDDL에서 VDDH로 레벨을 변환한다. 도 1에 도시된 2개의 전압 VDDL 및 VDDH는 서로 다른 전압 레벨을 나타내며, 이 경우 VDDL < VDDH 라고 가정하자. 회로에 사용되는 입력 신호는 차동(differential)으로 구성되어 있으며, 원래 신호와 함께 반대 위상을 가진 신호를 사용하게 된다. 또한, 레벨 쉬프트(Level shift)를 수행하기 위해 교차 커플(cross coupled) 형태의 2개의 트랜지스터(transistor)(110)로 이루어진 풀업 래치(Pull up latch) 회로를 사용한다.FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a level shifter for changing a voltage level in the technical field to which the present invention belongs, and corresponds to a level shifter commonly referred to as a type I method. The level shifter of FIG. 1 uses a positive feedback network composed of cross-coupled elements 110 (M 3 , M 4 ) to create a full output swing. It converts the level from V DDL to V DDH without leakage current. Two voltages V DDL shown in FIG. 1 And V DDH represent different voltage levels, in which case V DDL <V DDH . The input signal used in the circuit is made up of differential and uses a signal with a reverse phase with the original signal. In addition, a pull up latch circuit including two transistors 110 in a cross coupled form is used to perform a level shift.

도 2는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 전압 레벨을 변경하는 레벨 쉬프터의 다른 일례를 도시한 도면으로서, 일반적으로 Type II 방식이라 부르는 레벨 쉬프터에 해당한다. 도 2의 레벨 쉬프터는 도 1에 예시된 교차 커플 방식과는 달리, 전류 미러 구조를 형성하는 소자들(210)(M3, M4)을 이용함으로써 B 노드의 전압을 빠르게 레벨-업하는 것이 가능하다.FIG. 2 is a diagram illustrating another example of a level shifter for changing a voltage level in the technical field to which the present invention belongs, and corresponds to a level shifter commonly referred to as a type II method. Unlike the cross-coupled scheme illustrated in FIG. 1, the level shifter of FIG. 2 uses the elements 210 (M 3 and M 4 ) that form a current mirror structure to rapidly level up the voltage of the B node. It is possible.

도 1 및 도 2에서, 트랜지스터 M1 내지 M4, 그리고 출력 버퍼(output buffer)에 활용되는 인버터(inverter) INV3 및 INV4는 전압 스윙이 0에서 VDDH가 되며, 산화막파괴(oxide breakdown)에 의해 발생되는 신뢰성 문제를 해소하기 위해 하이 전압(high voltage)용 트랜지스터를 사용하였다. 하이 전압용 트랜지스터의 경우, 산화막파괴를 방지하기 위해 두꺼운 산화물(thick oxide)로 형성되어 있고, 로우 전압(low voltage)용 소자에 비해 상대적으로 속도가 느리다.1 and 2, the inverters INV 3 and INV 4 utilized in the transistors M 1 to M 4 , and the output buffer have a voltage swing of 0 to V DDH , and an oxide breakdown. In order to solve the reliability problem caused by the high voltage (high voltage) transistor was used. In the case of a high voltage transistor, the oxide is formed of a thick oxide to prevent oxide film breakage, and is relatively slower than a low voltage device.

도 2에 도시된 레벨 쉬프터는 전류 미러 구조를 활용하여 큰 전류를 트랜지스터 M4에 흐르게 함으로써 레벨 변환에 따른 지연 시간을 도 1에 도시된 교차 커플 방식의 레벨 쉬프터에 비해 상당히 개선시킬 수 있었다. 그러나, 로직 하이(logic high) 구간(IN=high)에서 전류 미러를 구성하는 소자들(M1, M3, M4)을 통해 정전류(static current)가 계속 흐르기 때문에 파워 소모가 도 1의 레벨 쉬프터의 경우보다 증가하는 약점을 가진다.In the level shifter shown in FIG. 2, a large current flows through the transistor M 4 by utilizing a current mirror structure, thereby significantly improving the delay time due to the level shifting compared to the cross-coupled level shifter shown in FIG. 1. However, since the constant current continues to flow through the elements M 1 , M 3 , and M 4 constituting the current mirror in a logic high period (IN = high), power consumption is reduced in the level of FIG. 1. It has an increasing weakness than the shifter.

이상에서 소개한 바와 같이 도 1 및 도 2의 레벨 쉬프터는 각각 일정 부분에 있어 단점을 가진다. 따라서, 이하에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 이러한 단점을 해소하면서도 레벨 쉬프터 고유의 특성을 활용하여 낮은 전압 레벨을 높은 전압 레벨로 효과적으로 변경할 수 있는 전압 레벨 쉬프터를 제안하고자 한다.As introduced above, the level shifters of FIGS. 1 and 2 have disadvantages in certain portions, respectively. Accordingly, embodiments of the present invention described below are intended to propose a voltage level shifter that can effectively change the low voltage level to a high voltage level by utilizing the characteristics of the level shifter while eliminating this disadvantage.

본 발명의 실시예들은 도 1 및 도 2의 레벨 쉬프터들이 가졌던 느린 변환의 문제점과 로직 하이 구간에서 발생하는 정전류 소모 문제를 개선하기 위해, 로직 하이 구간에서 전류 미러를 구성하는 트랜지스터를 모두 오프(off)시키는 파워 다운(power down) 기술을 이용해 정전류를 차단함으로써 파워 소모를 감소시키는 기술적 수단을 제안한다. 또한, 전류 미러 단이 오프되는 구간에서 해당 미러 구조의 출력이 플로팅(floating)되는 것을 방지하기 위해 추가로 트랜지스터를 연결하여 로직 하이를 정의하고자 한다.Embodiments of the present invention are to turn off all the transistors constituting the current mirror in the logic high period, in order to improve the problem of the slow conversion that the level shifters of FIGS. We propose a technical means to reduce power consumption by cutting off the constant current using a power down technique. In addition, in order to prevent the output of the mirror structure from floating in a section where the current mirror stage is turned off, an additional transistor is connected to define a logic high.

나아가, 이후 기술될 본 발명의 다른 실시예는 파워 다운 기법을 이용하는 제안된 레벨 쉬프터 회로의 변환 시간을 보다 빠르게 하기 위해 전류 미러 구조를 이용한 변환 과정에서 하이 전압용 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형식의 로우 전압용 트랜지스터들로 대체하여 구성하는 방식을 제안하도록 한다. 따라서 이러한 캐스코드 구조는 산화막파괴를 야기하는 브레이크다운(break-down) 전압 범위 내에서 안정적이면서 빠른 변환 시간을 제공할 수 있다.Furthermore, another embodiment of the present invention, which will be described later, uses a cascode format for transistors for high voltages in the conversion process using a current mirror structure to speed up the conversion time of the proposed level shifter circuit using a power down technique. The present invention proposes a method of substituting low voltage transistors. Thus, this cascode structure can provide a stable and fast conversion time within the breakdown voltage range causing oxide breakdown.

이하에서는, 도면을 참조하여 상기된 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 명칭 및 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention for solving the above-mentioned technical problems will be described in detail with reference to the drawings. In the following description and the accompanying drawings, detailed description of well-known functions or constructions that may obscure the subject matter of the present invention will be omitted. It is to be noted that the same components are denoted by the same names and reference numerals as possible throughout the drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터(300)를 도시한 블록도로서, 기능 블록을 중심으로 전압 레벨 쉬프터 회로를 개괄적으로 표현한 도면이다. 각 기능 블록을 구현하기 위한 보다 구체적인 회로 구성은 이후 도 4를 통해 기술하도록 하며, 여기서는 각 블록의 역할과 기능을 중심으로 그 개요만을 소개한다.3 is a block diagram illustrating a voltage level shifter 300 for changing and outputting a voltage level of an input signal according to an exemplary embodiment of the present invention, and schematically illustrating a voltage level shifter circuit centering on a functional block. A more detailed circuit configuration for implementing each functional block will be described later with reference to FIG. 4, and only an outline thereof will be introduced based on the role and function of each block.

신호 입력부(10)는, 제 1 전압을 공급받는 인버터(inverter)를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙(swing)한다.The signal input unit 10 swings the voltage level of the input signal to the first voltage by using an inverter supplied with the first voltage.

레벨 변환부(20)는, 제 2 전압을 공급받는 전류 미러(current mirror) 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환한다. 즉, 본 발명의 실시예들에서 전압 레벨을 변경하는 기술적 수단은 기본적으로 전류 미러 구조에 기반하고 있다. 다만, 앞서 기술한 바와 같이 전류 미러 구조에서 나타나는 정전류의 문제점을 해결하기 위해 이후에 소개할 추가적인 구성, 지연 셀(32)을 구비한다.The level converter 20 converts a signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level by using a current mirror structure supplied with a second voltage. That is, in the embodiments of the present invention, the technical means for changing the voltage level is basically based on the current mirror structure. However, in order to solve the problem of the constant current in the current mirror structure as described above, an additional configuration, a delay cell 32 to be introduced later, is provided.

나아가, 레벨 변환부(20)는, 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅(floating)되는 것을 방지하는 트랜지스터(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the level converter 20 may prevent the output of a node supplying a high signal to the output buffer from being floated as the transistor constituting the mirror structure is turned off in a logic high period (not shown). It is preferable to include).

출력 버퍼(buffer)(31)는, 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 레벨 변환부(20)를 통해 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력단에 출력한다.The output buffer 31 outputs the signal of the second voltage level converted through the level converter 20 to the output terminal by using the inverter supplied with the second voltage.

지연 셀(delay cell)(32)은, 논리 하이(logic high) 구간에서 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연(delay)을 통해 상기 미러 구조의 정전류(static current)를 방지한다. 이러한 지연 셀(32)은, 상기 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터(transistor)를 오프(off)시키는 파워 다운(power down)을 이용함으로써 트랜지스터에 흐르게 되는 정전류에 의한 파워 소모를 방지하게 된다.The delay cell 32 prevents static current of the mirror structure through a delay using an inverter supplied with the second voltage in a logic high period. The delay cell 32 prevents power consumption due to a constant current flowing through the transistor by using a power down for turning off a transistor constituting the mirror structure in the logic high period. do.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 전압 레벨 쉬프터를 도시한 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating the voltage level shifter of FIG. 3 in accordance with an embodiment of the present invention.

앞서 약술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 전압 레벨 쉬프터 회로는 도 2를 통해 소개된 레벨 쉬프터에서 발생하였던 정전류에 의한 파워 소모의 문제점을 개선하기 위해 파워 다운 기법을 채택하고 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 파워 다운 시에 발생하는 플로팅 노드의 로직 레벨을 정의하기 위해 추가적인 스위치를 구비한다.As outlined above, the voltage level shifter circuit proposed by the embodiments of the present invention employs a power down technique to improve the problem of power consumption due to the constant current generated in the level shifter introduced through FIG. 2. Embodiments of the present invention also include additional switches to define the logic level of the floating node that occurs upon power down.

도 4에서, 전압 레벨 쉬프터는 빠른 레벨 변환을 위해 도 2를 통해 소개되었던 전류 미러 방식을 이용한다. 도 4의 레벨 쉬프터 회로는 0에서 VDDL로 스윙하는 인버터들로 구성된 'Stage 1'(10), VDDL 레벨을 VDDH 레벨로 변환시키는 역할을 하는 'Stage 2'(20), 파워 다운을 제어하는 지연 셀(delay cell)(32)과 최종 출력을 내보내는 출력 버퍼(output buffer)(31)로 구성된 'Stage 3'(30)으로 편의상 구분될 수 있다. 이하에서는 각각의 회로 구성을 보다 구체적으로 기술하도록 한다.In FIG. 4, the voltage level shifter uses the current mirror scheme introduced through FIG. 2 for fast level transitions. The level shifter circuit of FIG. 4 is a 'Stage 1' (10) consisting of inverters swinging from 0 to V DDL , 'Stage 2' (20), which converts the V DDL level to the V DDH level, and powers down. It can be conveniently divided into 'Stage 3' 30 composed of a delay cell 32 for controlling and an output buffer 31 for outputting a final output. Hereinafter, each circuit configuration will be described in more detail.

Stage 1, 즉 신호 입력부(10)는, 제 1 전압(VDDL)을 공급받아 입력 신호(IN)를 반전시키는 제 1 인버터(INV1) 및 상기 제 1 전압(VDDL)을 공급받아 상기 반전된 입력 신호를 재반전시키는 제 2 인버터(INV2)를 포함한다. 이 때, 신호 입력부(10)는 서로 반대의 위상을 갖고, 0에서 상기 제 1 전압(VDDL)으로 스윙된 2개의 입력 신호를 레벨 변환부(20)의 소자들(M1, M2)에게 출력한다.Stage 1, i.e. the signal input unit 10, the first voltage (V DDL) for supplying received first inverter (INV 1) and the reverse when supplied with said first voltage (V DDL) for inverting the input signal (IN) And a second inverter INV 2 for reversing the input signal. At this time, the signal input unit 10 has a phase opposite to each other, and the two input signals swinging from 0 to the first voltage V DDL at the elements M 1 and M 2 of the level converting unit 20. Output to.

Stage 2, 즉 레벨 변환부(20)는, 2개의 신호 입력 소자들(M1, M2), 전류 미러 구조(23)를 구성하는 소자들, 그리고 플로팅 방지용 소자(M7)를 포함한다. 보다 구체적으로, 레벨 변환부(20)는 소스(source) 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인(drain) 단자가 제 1 노드(A)에 연결되어 상기 신호 입력부(10)로부터 게이트(gate)에 인가되는 제 1 전압 레벨(VDDL)의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터(M1), 그리고 소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드(B)에 연결되어 상기 신호 입력부(10)로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨(VDDL)의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터(M2)를 포함한다.The stage 2, that is, the level converter 20 includes two signal input elements M 1 and M 2 , elements constituting the current mirror structure 23, and an anti-floating element M 7 . More specifically, the level converter 20 is applied to the gate from the signal input unit 10 by connecting a source terminal to a ground power source and a drain terminal to a first node A. The first transistor (M 1 ) for switching in accordance with the signal of the first voltage level (V DDL ), and the source terminal is connected to the ground power source, the drain terminal is connected to the second node (B) to the signal input unit 10 A second transistor (M 2 ) for switching in accordance with the signal of the first voltage level (V DDL ) applied to the gate.

또한, 전류 미러 구조(23)는, 소스 단자를 통해 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 1 노드(A)와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨(VDDH)에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터(M3), 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 2 노드(B)와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터(M3)와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터(M3)의 일정 배율(도 4에는 양의 정수 K배로 예시되어 있다.)만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터(M4), 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 제 1 노드(A)와 연결되며, 지연 셀(32)로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터(M5) , 그리고 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트, 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터(M5)의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀(32)로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터(M6)를 포함한다.In addition, the current mirror structure 23 is supplied with a second voltage V DDH through a source terminal, and a drain terminal is connected with the first node A to a second voltage level V DDH in a logic high period. The third transistor M 3 through which the current flows, the second voltage V DDH is supplied through the source terminal, and the drain terminal is connected to the second node B, and the third transistor M 3 is applied. And a fourth mirror M 4 through which the current flows as much as a constant magnification of the third transistor M 3 (illustrated as a positive integer K times in FIG. 4 ) through the source terminal. A fifth transistor M 5 supplied with the second voltage V DDH and having a drain terminal connected to the first node A, and switched according to a signal applied from a delay cell 32 to a gate, and a source terminal a is the first being supplied to the second voltage (V DDH) the drain terminal through the Third transistor (M 3) for being connected to the source terminal of the gate and the fifth transistor (M 5) of the gate, the fourth transistor (M 4), for switching in accordance with the signal applied to the gate from the delay cell 32 And a sixth transistor M 6 .

레벨 변환부(20)는, 상기 제 2 노드(B)를 통해 상기 미러 구조(23)에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 출력 버퍼(31)로 출력한다. 본 실시예에서, 이러한 레벨 변환부(20)를 구성하는 트랜지스터는 하이 전압(high voltage)용 트랜지스터인 것이 바람직하다.The level converter 20 outputs a signal of the second voltage level V DDH amplified by the mirror structure 23 through the second node B to the output buffer 31. In the present embodiment, the transistor constituting the level converter 20 is preferably a high voltage transistor.

출력 버퍼(31)는, 제 2 전압(VDDH)을 공급받아 상기 레벨 변환부(20)를 통해 변환된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 반전시키는 제 3 인버터(INV3), 그리고 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받아 상기 반전된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 재반전시키는 제 4 인버터(INV4)를 포함함으로써, 상기 제 4 인버터(INV4)로부터 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 출력단에 출력하게 된다.Output buffer 31, the second voltage third inverter (INV 3) when supplied with (V DDH) for inverting the signal of the second voltage level (V DDH) converted by the level converter 20, and wherein the first, from the fourth inverter (INV 4) by when supplied with the second voltage (V DDH) and a fourth inverter (INV 4) for re-inverting the signal of the second voltage level (V DDH) of the inverted 2 The signal of the voltage level V DDH is output to the output terminal.

이상의 레벨 변환부(20)에서, 우선 입력 신호(IN)가 로우(low)에서 하이(high)로 변경될 때, 로직 하이 동작이 시작된다. 트랜지스터 M1 및 M2는 인버터 INV1 및 INV2에 의해 서로 반대의 입력을 받게 된다. 로직 하이 구간에서 M1의 게이트는 하이 레벨(high level)이 되어 M3를 통해 큰 전류가 흐르게 되고, 전류 미러 회로(23) 구성에 의해 M4에는 K배의 전류가 흐르게 된다. 따라서, B 노드의 전압 레벨은 상승하게 되고, INV3 및 INV4로 구성된 출력 버퍼(31)를 통해 최종 출력 하이가 발생하게 된다.In the above level converter 20, first, when the input signal IN is changed from low to high, a logic high operation is started. Transistors M 1 and M 2 will receive opposite inputs by inverters INV 1 and INV 2 . In the logic high section, the gate of M 1 is at a high level so that a large current flows through M 3 , and K times the current flows through M 4 due to the current mirror circuit 23 configuration. Therefore, the voltage level of the B node rises, and the final output high occurs through the output buffer 31 composed of INV 3 and INV 4 .

한편, 지연 셀(32)은, 제 2 전압(VDDH)을 공급받아 상기 레벨 변환부(20)를 통해 변환된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 반전시키는 제 5 인버터(INV5), 그리고 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받아 상기 반전된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 재반전시키는 제 6 인버터(INV6)를 포함한다. 이러한 지연 셀(32)은, 상기 제 5 인버터(INV5) 및 상기 제 6 인버터(INV6)의 출력 신호를 상기 레벨 변환부(20)를 구성하는 트랜지스터(M5, M6)의 게이트에 각각 인가함으로써 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조(23)를 구성하는 트랜지스터(M3, M4)를 오프시키게 된다.On the other hand, the delay cells 32, a fifth inverter (INV 5) which when supplied with the second voltage (V DDH), invert the signal of the second voltage level (V DDH) converted by the level converter 20 , and it includes a sixth inverter (INV 6) to re-invert the signal of the second voltage when supplied with said inverted second voltage (V DDH) level (V DDH). The delay cell 32 transmits the output signals of the fifth inverter INV 5 and the sixth inverter INV 6 to gates of the transistors M 5 and M 6 constituting the level converter 20. The respective applications turn off the transistors M 3 and M 4 constituting the mirror structure 23 in the logic high period.

즉, 도 4를 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로는 로직 하이 구간 초기 동작 시에만 전류 미러 회로(23)를 통해 빠른 변환을 이용하고, 인버터로 구성된 지연 셀(32)에 의해 지연 후, 트랜지스터 M3 및 M4를 오프시키는 파워 다운 기술을 활용함으로써 로직 하이 구간에서 도 2의 레벨 쉬프터가 야기하는 정전류 발생의 우려가 없다.That is, Figure 4 the voltage level proposed shifter circuit after a delay by the delay cells configured to use a fast conversion through only during the initial operation logic high interval the current mirror circuit 23, and inverter 32, the transistor M 3 And a power-down technique for turning M 4 off, there is no fear of generating a constant current caused by the level shifter of FIG. 2 in the logic high section.

그러나, 도 4의 전압 레벨 쉬프터 회로는 트랜지스터 M3 및 M4를 오프시킴으로 인해 B 노드가 플로팅(floating) 상태가 되기 때문에 로직 출력에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 도 4를 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로는 PMOS 트랜지스터 M7을 전류 미러 구조(23)의 출력단에 추가로 연결함으로써 로직 하이 구간에서 B 노드의 플로팅 상태를 방지하였다. 이러한 구조로 인해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로는 도 2에 예시된 전류 미러 구조를 채택한 전압 레벨 쉬프터 기술보다 보다 낮은 파워로 전압 레벨-업 동작을 수행할 수 있다.However, the voltage level shifter circuit of FIG. 4 may cause problems in the logic output because the B node is floating due to turning off the transistors M 3 and M 4 . Therefore, the voltage level shifter circuit proposed through FIG. 4 further connects the PMOS transistor M 7 to the output terminal of the current mirror structure 23 to prevent the floating state of the B node in the logic high period. Due to this structure, the proposed voltage level shifter circuit can perform a voltage level-up operation with lower power than the voltage level shifter technology employing the current mirror structure illustrated in FIG.

한편, 도 4를 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로는, 앞서 소개한 도 1 및 도 2의 전압 레벨 쉬프터 기술과 유사하게 레벨 변환 과정에서 하이 전압용 트랜지스터를 이용하기 때문에 산화막파괴에 따른 신뢰성 문제는 해결할 수 있는 반면, 전압 레벨의 변환에 많은 시간이 소모될 수 있다. 따라서, 이하에서 기술되는 본 발명의 다른 실시예는 이러한 변환 시간의 지연을 해결할 수 있는 새로운 기술적 수단을 제안한다.On the other hand, the voltage level shifter circuit proposed through FIG. 4 uses a high voltage transistor in the level conversion process similarly to the voltage level shifter techniques of FIGS. 1 and 2, so that the reliability problem due to oxide breakdown is solved. On the other hand, a large amount of time may be spent on the conversion of the voltage level. Therefore, another embodiment of the present invention described below proposes a new technical means that can solve this delay of the conversion time.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐스코드 구조를 채택한 전압 레벨 쉬프터를 도시한 회로도로서, 앞서 소개한 도 4의 레벨 쉬프터와 기본적인 구성은 일치하는 바이다. 따라서, 설명의 중복을 피하기 위해, 여기서는 변환 속도를 향상시키기 위해 추가된 구성(캐스코드 구조 및 트랜지스터의 변경)에 집중하여 기술하도록 한다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a voltage level shifter employing a cascode structure according to another embodiment of the present invention. The level shifter of FIG. Therefore, in order to avoid duplication of explanation, the following description will focus on the added configuration (change of the cascode structure and transistors) to improve the conversion speed.

도 4에서와 마찬가지로, 도 5의 전압 레벨 쉬프터 역시, 제 1 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙하는 신호 입력부(10), 제 2 전압을 공급받는 전류 미러 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 레벨 변환부(20), 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 출력 버퍼(31) 및 논리 하이의 경우 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연을 통해 상기 미러 구조의 정전류를 방지하는 지연 셀(32)을 포함한다.As in FIG. 4, the voltage level shifter of FIG. 5 also receives a signal input unit 10 and a second voltage that swing the voltage level of the input signal to the first voltage using an inverter supplied with a first voltage. A level converter 20 for converting the signal of the first voltage level into the signal of the second voltage level by using a current mirror structure, and the converted second voltage level by using an inverter supplied with the second voltage. An output buffer 31 for outputting a signal and a delay cell 32 for preventing a constant current of the mirror structure through a delay using an inverter supplied with the second voltage in the case of logic high.

다만, 도 4의 레벨 쉬프터 회로와는 달리 도 5의 레벨 쉬프터 회로의 레벨 변환부(20)는, 상기 신호 입력부(10)로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압(low voltage)용 트랜지스터 및 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터를 구비함으로써 고속으로 전압 레벨을 변환할 수 있다는 특성을 갖는다. 여기서, 레벨 변환부(20)는, 상기 신호 입력부(10)로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압용 트랜지스터와 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터 사이에 산화막파괴(oxide breakdown)를 방지하는 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형태(25)로 연결하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 레벨 변환부(20)를 구성하는 트랜지스터의 드레인-소스 전압과 게이스-소스 전압이 상기 산화막파괴를 발생시키는 전압 레벨을 넘지 않도록, 상기 캐스코드 형태(25)로 연결된 트랜지스터의 게이트에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 바이어스 전압은 상기 제 1 전압 레벨과 상기 제 2 전압 레벨 사이의 값으로 결정될 수 있다.However, unlike the level shifter circuit of FIG. 4, the level converter 20 of the level shifter circuit of FIG. 5 is a low voltage transistor that receives a signal having a first voltage level from the signal input unit 10. And a low voltage transistor having a current mirror structure for converting the signal of the first voltage level to the signal of the second voltage level, so that the voltage level can be converted at high speed. Here, the level converter 20 is a low voltage transistor that receives a signal of the first voltage level from the signal input unit 10 and a current for converting the signal of the first voltage level to the signal of the second voltage level. It is preferable to connect the transistors in the cascode form 25 to prevent oxide breakdown between the low voltage transistors of the mirror structure. In addition, a bias is applied to the gates of the transistors connected to the cascode type 25 so that the drain-source voltage and the gate-source voltage of the transistors constituting the level converter 20 do not exceed the voltage level at which the oxide breakdown occurs. It is desirable to apply a bias voltage. That is, the bias voltage may be determined as a value between the first voltage level and the second voltage level.

보다 구체적으로, 상기 레벨 변환부(20)는, 소스 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 1 노드(A)에 연결되어 신호 입력부(10)로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨(VDDL)의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터(M1), 그리고 소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드(B)에 연결되어 상기 신호 입력부(10)로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨(VDDL)의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터(M2)를 포함한다. 여기서, 이들 소자(M1, M2)는 변환 속도의 향상을 위해 로우 전압 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.More specifically, the level converter 20 may include a first voltage level V DDL applied to a gate from the signal input unit 10 by connecting a source terminal to a ground power source and a drain terminal to a first node A. A first transistor (M 1 ) for switching in accordance with the signal of (), and a first terminal connected to the ground power source and a drain terminal connected to the second node (B) to be applied to the gate from the signal input unit (10). It includes a second transistor (M 2 ) for switching in accordance with the signal of the voltage level (V DDL ). Here, it is preferable that these elements M 1 and M 2 use low voltage transistors to improve the conversion speed.

또한, 상기 레벨 변환부(20)의 전류 미러 구조는, 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드(E)와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨(VDDH)에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터(M3), 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 4 노드(F)와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터(M3)와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터(M3)의 일정 배율(도 5에서는 양의 정수 K배가 예시되었다.)만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터(M4), 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드(E)와 연결되며, 지연 셀(32)로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터(M5), 그리고 소스 단자를 통해 상기 제 2 전압(VDDH)을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터(M3)의 게이트, 제 4 트랜지스터(M4)의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터(M5)의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀(32)로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터(M6)를 포함한다. 여기서, 미러 구조를 형성하는 일부 소자(M3, M4)는 변환 속도의 향상을 위해 로우 전압 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the current mirror structure of the level converter 20 is supplied with the second voltage V DDH through a source terminal, and a drain terminal is connected to the third node E so as to have a second voltage in a logic high period. The third transistor M 3 through which current according to the level V DDH flows, the second voltage V DDH is supplied through a source terminal, and a drain terminal is connected to the fourth node F. third transistor (M 3) and by forming a current mirror structure, the third transistor (M 3) predetermined magnification (Fig. 5, the exemplified doubled positive integer K.) of the fourth transistor being the current of as much flow (M 4) The fifth transistor M is supplied with the second voltage V DDH through a source terminal, and the drain terminal is connected to the third node E, and switches according to a signal applied from the delay cell 32 to the gate. 5), and the second voltage (V DDH), with a source terminal Class receiving and a drain terminal connected to the source terminal of the third transistor (M 3), a gate, a fourth transistor (M 4), the gate and the fifth transistor (M 5) of the, to the gate from the delay cell 32 And a sixth transistor M 6 that switches according to the applied signal. Here, it is preferable that some of the devices M 3 and M 4 forming the mirror structure use a low voltage transistor for improving the conversion speed.

나아가, 상기 레벨 변환부(20)는, 소스 단자가 상기 제 1 노드(A)와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드(C)와 연결되어 게이트에 인가되는 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 스위칭하는 제 7 트랜지스터(M8), 소스 단자가 상기 제 2 노드(B)와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드(D)와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 스위칭하는 제 8 트랜지스터(M9), 소스 단자가 상기 제 3 노드(E)와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드(C)와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 스위칭하는 제 9 트랜지스터(M10), 그리고 소스 단자가 상기 제 4 노드(F)와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드(D)와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압(VBIAS)에 따라 스위칭하는 제 10 트랜지스터(M11)를 포함하며, 이들 소자는 캐스코드 형태(25)로 연결된다. 여기서, 캐스코드 형태(25)로 연결되는 소자(M8, M9, M10, M11)는 변환 속도의 향상을 위해 로우 전압 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the level converter 20 may be configured to switch according to a bias voltage V BIAS applied to a gate by connecting a source terminal to the first node A and a drain terminal to the fifth node C. A seventh transistor M 8 and an eighth source terminal connected to the second node B and a drain terminal connected to the sixth node D to switch according to the bias voltage V BIAS applied to a gate; Transistor M 9 , a ninth transistor having a source terminal connected to the third node E and a drain terminal connected to a fifth node C to switch according to the bias voltage V BIAS applied to a gate ( M 10 ) and a tenth transistor M connected to a source terminal connected to the fourth node F and a drain terminal connected to a sixth node D and applied according to the bias voltage V BIAS applied to a gate. includes a 11), these elements are cascade-type It is coupled to 25. The Here, the elements M 8 , M 9 , M 10 , and M 11 connected in the cascode form 25 may use low voltage transistors to improve conversion speed.

이제, 레벨 변환부(20)는, 상기 제 6 노드(D)를 통해 상기 미러 구조에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨(VDDH)의 신호를 상기 출력 버퍼(31)로 출력하게 된다.Now, the level converter 20 outputs the signal of the second voltage level V DDH amplified by the mirror structure through the sixth node D to the output buffer 31.

요약하건대, 이상의 도 5의 레벨 쉬프터 회로는 도 4의 레벨 쉬프터 회로에 비해 보다 빠른 변환 시간을 제공하기 위해 'Stage 2'(20)에서 사용되었던 하이 전압용 트랜지스터(M1 내지 M4)를 로우 전압용 트랜지스터로 변경하였고, 로우 전압용 소자에서 발생될 수 있는 산화막파괴를 방지하기 위해 M1, M2의 드레인 단자에 캐스코드 형태로 M8 - M9를 연결하고, M3, M4의 드레인 단자에 캐스코드 형태로 M10 - M11을 연결하였다. 그리고, 'Stage 2'(20)의 모든 트랜지스터들의 드레인-소스 전압(Vds) 및 게이트-소스 전압(Vgs)이 브레이크 다운 전압(break-down voltage) 범위를 넘지 않기 위해 M8 - M9의 게이트 단자에 적정한 조건(VDDL < VBIAS < VDDH)의 바이어스 전압(VBIAS)을 인가하였다. 따라서, 'Stage 2'(20)의 모든 트랜지스터들은 브레이크 다운 전압 내에서 안전하게 동작할 수 있다. 이상과 같은 구성을 통해 도 5를 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로는 로우 전압용 소자의 빠른 동작 특성으로 인해 도 4를 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로보다 상대적으로 더욱 빠른 변환 시간을 가질 수 있다. In summary, the level shifter circuit of FIG. 5 above lows the high voltage transistors M 1 to M 4 used in Stage 2 20 to provide faster conversion times than the level shifter circuit of FIG. 4. In order to prevent oxide breakdown that may occur in the low voltage device, M 8 -M 9 are connected to the drain terminals of M 1 and M 2 in cascode form, and M 3 , M 4 M 10 -M 11 was connected to the drain terminal in the form of a cascode. In addition, the drain-source voltage (V ds ) and the gate-source voltage (V gs ) of all transistors of 'Stage 2' 20 do not exceed the break-down voltage range, so that M 8 -M 9 A bias voltage (V BIAS ) under appropriate conditions (V DDL <V BIAS <V DDH ) was applied to the gate terminal of. Thus, all transistors of Stage 2 20 can safely operate within the breakdown voltage. Through the above configuration, the voltage level shifter circuit proposed through FIG. 5 may have a relatively faster conversion time than the voltage level shifter circuit proposed through FIG. 4 due to the fast operation characteristics of the low voltage device.

한편, 상기 레벨 변환부(20) 역시, 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 상기 제 3 트랜지스터(M3) 및 상기 제 4 트랜지스터(M4)가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅되는 것을 방지하는 PMOS 트랜지스터(M7)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기된 제 5 트랜지스터(M5), 제 6 트랜지스터(M6) 및 플로팅 방지용 PMOS 트랜지스터(M7)는 하이 전압용 트랜지스터인 것이 바람직하다.Meanwhile, the level converter 20 also supplies a high signal to the output buffer as the third transistor M 3 and the fourth transistor M 4 constituting the mirror structure are turned off in a logic high period. It is preferable to include a PMOS transistor (M 7 ) to prevent the output of the node to be floated. In addition, the fifth transistor M 5 , the sixth transistor M 6 , and the floating prevention PMOS transistor M 7 are preferably high voltage transistors.

이하에서는, 이상에서 제안된 2가지 실시예(도 4 및 도 5의 전압 레벨 쉬프터)의 성능을 평가하기 위해 0.35um BCD 공정을 이용한 시뮬레이션 결과를 소개하도록 한다. 2가지 실시 예에서 사용된 트랜지스터는 5V, 8V CMOS 소자들이다. 5V 소자는 Vgs . max=5.5V, Vds . max=5.5V, Wmin=1.2um, Lmin=0.5um 이다. 8V 소자는 Vgs.max=13.2V, Vds . max=8.8V, Wmin=1.2um, Lmin=2.5um이다. 이처럼 8V 소자는 5V 소자와 비교 시 브레이크 다운 전압 레벨이 높다. 그러나, 트랜지스터의 최소 길이(length)는 5배 이상이기 때문에 트랜지스터의 동작 속도는 더 느리다.Hereinafter, a simulation result using a 0.35 um BCD process will be introduced to evaluate the performance of the two embodiments proposed above (voltage level shifters of FIGS. 4 and 5). The transistors used in both embodiments are 5V, 8V CMOS devices. 5V devices have V gs . max = 5.5 V, V ds . max = 5.5V, W min = 1.2um, L min = 0.5um. 8V devices have V gs.max = 13.2V, V ds . max = 8.8V, the W min = 1.2um, L min = 2.5um. As such, the 8V device has a higher breakdown voltage level compared to the 5V device. However, the operating speed of the transistor is slower because the minimum length of the transistor is more than five times.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 전압 레벨 쉬프터 회로(620)의 시뮬레이션 파형을 예시한 도면으로서, 도 2에 예시된 종래의 레벨 쉬프터(610)의 시뮬레이션 파형과 비교하고 있다. 시뮬레이션 조건은 VDDL=2.5V, VDDH=8V, FSW=1MHz 이다. 입력 신호(IN)가 하이 구간에서, 종래의 레벨 쉬프터(Type II)(610)의 경우 계속해서 정전류(static current)가 흐르는 것을 알 수 있다. 반면에 도 4를 통해 제안된 레벨 쉬프터 회로(620)는 C 노드의 전압 레벨이 VDDH가 되면서 M3, M4이 모두 오프된다. 따라서, 로직 하이 구간에서 정전류가 흐르지 않는 것을 알 수 있다.6 is a diagram illustrating a simulation waveform of the voltage level shifter circuit 620 of FIG. 4 according to an embodiment of the present invention, and is compared with the simulation waveform of the conventional level shifter 610 illustrated in FIG. 2. Simulation conditions are V DDL = 2.5V, V DDH = 8V, and F SW = 1MHz. It can be seen that the constant current flows continuously in the case of the conventional level shifter (Type II) 610 when the input signal IN is high. On the other hand, in the level shifter circuit 620 proposed through FIG. 4, when the voltage level of the C node becomes V DDH , both M 3 and M 4 are turned off. Therefore, it can be seen that no constant current flows in the logic high period.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 5의 전압 레벨 쉬프터 회로의 시뮬레이션 파형을 예시한 도면으로서, 시뮬레이션 조건은 VDDL=2.5V, VDDH=8V, FSW=1MHz 이다. 제안된 실시예에 따른 레벨 쉬프터 회로는 로우 전압용 소자의 이용으로 빠른 변환이 가능하지만, 각 트랜지스터들의 Vgs, Vds가 브레이크 다운 전압을 넘을 경우 소자가 파괴될 위험성이 있다. 여기서, 제안된 레벨 쉬프터 회로의 M3 - M4 트랜지스터의 게이트 단자에는 VBIAS(= VDDH/2)가 인가되었기 때문에 'Stage 2'(레벨 변환 단계)에 위치한 모든 트랜지스터들은 브레이크 다운 전압 범위(Vgs . max=5.5 V, Vds.max=5.5 V) 내에서 동작하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a diagram illustrating a simulation waveform of the voltage level shifter circuit of FIG. 5 according to another embodiment of the present invention. Simulation conditions are V DDL = 2.5V, V DDH = 8V, and F SW = 1MHz. The level shifter circuit according to the proposed embodiment can be quickly converted by using a low voltage device, but there is a risk that the device is destroyed when V gs and V ds of the transistors exceed the breakdown voltage. Here, since V BIAS (= V DDH / 2) is applied to the gate terminals of the M 3 -M 4 transistors of the proposed level shifter circuit, all the transistors located in 'Stage 2' (level shifting stage) have a breakdown voltage range ( V gs. max = 5.5 V, V ds.max = 5.5 V) it can be seen that operating within.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예들과 도 1 및 도 2를 통해 소개된 레벨 쉬프터들의 지연시간을 비교한 도면으로서, 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로와 종래기술의 변환 시간을 비교하기 위한 시뮬레이션 파형을 예시한 것이다. 시뮬레이션 조건은 VDDL=2.5V, VDDH=8V, FSW=1MHz 이다. 도 8a는 상승 시간(rising time)을 비교한 것이고, 도 8b는 하강 시간(falling time)을 비교한 것으로, 'Conv.1'은 도 1의 레벨 쉬프터 회로에 따른 파형이고, 'Conv.2'는 도 2의 레벨 쉬프터 회로에 따른 파형이며, 'Prop.1' 및 'Prop.2'는 각각 도 4 및 도 5의 레벨 쉬프터 회로에 따른 파형에 해당한다. 도 8a 및 도 8b에서 확인 할 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 레벨 쉬프터(Prop.2)의 경우의 시뮬레이션 결과는 rising=2.05ns / falling=1.22ns으로 종래 기술(Conv.1 및 Conv.2)에 비해 매우 짧은 지연 시간을 보이는 것을 알 수 있다.8A and 8B are diagrams comparing the delay times of embodiments of the present invention and the level shifters introduced through FIGS. 1 and 2, and a simulation for comparing a proposed voltage level shifter circuit with a conversion time of the prior art. The waveform is an example. Simulation conditions are V DDL = 2.5V, V DDH = 8V, and F SW = 1MHz. FIG. 8A is a comparison of a rising time, and FIG. 8B is a comparison of a falling time. 'Conv.1' is a waveform according to the level shifter circuit of FIG. 1, and 'Conv.2' Are waveforms according to the level shifter circuit of FIG. 2, and 'Prop. 1' and 'Prop. 2' correspond to waveforms according to the level shifter circuit of FIGS. As can be seen in Figures 8a and 8b, the simulation result in the case of the voltage level shifter (Prop. 2) according to another embodiment of the present invention is rising = 2.05ns / falling = 1.22ns in the prior art (Conv. 1 and Compared to Conv. 2), it shows very short delay time.

이하의 표 1은 본 발명의 실시예들을 통해 제안된 전압 레벨 쉬프터 회로 및 종래의 레벨 쉬프터 기술의 성능 비교를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the performance comparison of the proposed voltage level shifter circuit and the conventional level shifter technique through embodiments of the present invention.

종류Kinds 전력소모 (Power Consumption uWuW )) risingrising timetime ( ( nsns )) fallingfalling timetime ( ( nsns )) 종래기술 1Prior art 1 35.1535.15 4.6254.625 4.4534.453 종래기술 2Prior art 2 1249.671249.67 2.3352.335 2.3552.355 발명된 회로 1Invented Circuit 1 36.7336.73 2.3512.351 3.3253.325 발명된 회로 2Invented Circuit 2 30.5630.56 2.0512.051 1.2271.227

표 1에서 시뮬레이션 조건은 VDDL=2.5V, VDDH=8V, FSW=1MHz 이다. 표 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 두 가지 실시예들에 따른 회로들은 전력 소모, 지연 시간 측면에서 우수한 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 특히 제안된 두 번째 전압 레벨 쉬프터(발명된 회로 2)는 로우 전압용 소자 이용에 의해 전력 소모 및 지연 시간을 매우 크게 개선시킨 것을 알 수 있다.In Table 1, the simulation conditions are V DDL = 2.5V, V DDH = 8V, and F SW = 1MHz. As shown in Table 1, it can be seen that the circuits according to the two embodiments of the present invention exhibit excellent characteristics in terms of power consumption and delay time. In particular, it can be seen that the proposed second voltage level shifter (invented circuit 2) greatly improves power consumption and delay time by using a low voltage device.

상기된 본 발명의 실시예들은, 전류 미러 구조의 레벨 쉬프터의 논리 하이(logic high) 구간에서 파워 다운(power down) 기술을 이용하여 로직 하이 구간에서 전류 미러 구조의 정전류(static current)의 소모를 억제함과 동시에 빠른 전압 레벨 변환을 보장할 수 있고, 전류 미러 구조에 추가적인 PMOS 트랜지스터를 구비함으로써 파워 다운시에 발생하는 플로팅 노드를 방지할 수 있다.The above-described embodiments of the present invention use the power down technique in the logic high section of the level shifter of the current mirror structure to reduce the consumption of the static current of the current mirror structure in the logic high section. At the same time, fast voltage level transitions can be ensured, and additional PMOS transistors in the current mirror structure can prevent floating nodes from occurring during power down.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 레벨 쉬프터를 구현함에 있어서 상대적으로 동작 특성이 빠른 로우 전압(low voltage)용 트랜지스터를 이용하여 전류 미러 구조를 구성하고, 산화막파괴(oxide breakdown)를 방지하는 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형태로 연결함으로써 전압 레벨 변환시 보다 빠른 변환 시간을 제공할 수 있다.In addition, another embodiment of the present invention is to implement a current mirror structure using a low voltage transistor having a relatively fast operating characteristics in implementing a level shifter, and to provide a transistor that prevents oxide breakdown Cascading can provide faster conversion times for voltage level translations.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to various embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

110 : 교차 커플 구조 210 : 전류 미러 구조
300 : 전압 레벨 쉬프터
10 : 신호 입력부 20 : 레벨 변환부
23 : 전류 미러 구조 25 : 캐스코드 구조
31 : 출력 버퍼 32 : 지연 셀
110: cross coupling structure 210: current mirror structure
300: voltage level shifter
10: signal input unit 20: level converting unit
23 current mirror structure 25 cascode structure
31: output buffer 32: delay cell

Claims (15)

입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터(level shifter)에 있어서,
제 1 전압을 공급받는 인버터(inverter)를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙(swing)하는 신호 입력부;
제 2 전압을 공급받는 전류 미러(current mirror) 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 레벨 변환부;
상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 출력 버퍼(buffer); 및
논리 하이(logic high) 구간에서 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연(delay)을 통해 상기 미러 구조의 정전류(static current)를 방지하는 지연 셀(delay cell);을 포함하는 전압 레벨 쉬프터.
In the voltage level shifter for changing the output voltage level of the input signal,
A signal input unit configured to swing a voltage level of the input signal to the first voltage by using an inverter supplied with a first voltage;
A level converting unit converting the signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level by using a current mirror structure receiving a second voltage;
An output buffer for outputting a signal of the converted second voltage level by using the inverter supplied with the second voltage; And
And a delay cell for preventing static current of the mirror structure through a delay using an inverter supplied with the second voltage in a logic high period.
제 1 항에 있어서,
상기 지연 셀은,
상기 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터(transistor)를 오프(off)시키는 파워 다운(power down)을 이용함으로써 상기 정전류에 의한 파워 소모를 방지하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
The delay cell,
The power level shifter is prevented by the constant current by using a power down for turning off the transistors constituting the mirror structure in the logic high period.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 입력부는,
상기 제 1 전압을 공급받아 상기 입력 신호를 반전시키는 제 1 인버터; 및
상기 제 1 전압을 공급받아 상기 반전된 입력 신호를 재반전시키는 제 2 인버터;를 포함하고,
서로 반대의 위상을 갖고, 0에서 상기 제 1 전압으로 스윙된 2개의 입력 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
Wherein the signal input unit comprises:
A first inverter receiving the first voltage and inverting the input signal; And
And a second inverter receiving the first voltage and reversing the inverted input signal.
And a voltage level shifter having a phase opposite to each other and outputting two input signals swinging from zero to the first voltage.
제 1 항에 있어서,
상기 레벨 변환부는,
소스(source) 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인(drain) 단자가 제 1 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트(gate)에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터;
소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 1 노드와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 2 노드와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터의 소정 배율만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 제 1 노드와 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터; 및
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터의 게이트, 제 4 트랜지스터의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터;를 포함하고,
상기 제 2 노드를 통해 상기 미러 구조에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨의 신호를 상기 출력 버퍼로 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
The level converting unit,
A first transistor having a source terminal connected to a ground power source and a drain terminal connected to a first node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate;
A second transistor having a source terminal connected to the ground power supply and a drain terminal connected to a second node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate;
A third transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the first node such that a current according to a second voltage level flows in a logic high period;
A fourth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, connected to the drain terminal with the second node, and configured to flow a current by a predetermined magnification of the third transistor by forming a current mirror structure with the third transistor;
A fifth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to a first node and switching according to a signal applied from the delay cell to a gate; And
The second voltage is supplied through a source terminal, and a drain terminal is connected to the gate of the third transistor, the gate of the fourth transistor, and the source terminal of the fifth transistor, and is switched according to a signal applied from the delay cell to the gate. Including a sixth transistor;
And outputs a signal having a second voltage level amplified by the mirror structure to the output buffer through the second node.
제 4 항에 있어서,
상기 레벨 변환부를 구성하는 트랜지스터는 하이 전압(high voltage)용 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
5. The method of claim 4,
And the transistors constituting the level converter are high voltage transistors.
제 1 항에 있어서,
상기 레벨 변환부는,
논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅(floating)되는 것을 방지하는 PMOS 트랜지스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
The level converting unit,
And a PMOS transistor which prevents the output of the node supplying the high signal to the output buffer from floating when the transistors constituting the mirror structure are turned off in a logic high period.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 버퍼는,
상기 제 2 전압을 공급받아 상기 레벨 변환부를 통해 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 반전시키는 제 3 인버터; 및
상기 제 2 전압을 공급받아 상기 반전된 제 2 전압 레벨의 신호를 재반전시키는 제 4 인버터;를 포함하고,
상기 제 4 인버터로부터 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
The output buffer,
A third inverter receiving the second voltage and inverting a signal of the second voltage level converted through the level converter; And
And a fourth inverter receiving the second voltage to reinvert the signal of the inverted second voltage level.
And output a signal of a second voltage level from the fourth inverter.
제 1 항에 있어서,
상기 지연 셀은,
상기 제 2 전압을 공급받아 상기 레벨 변환부를 통해 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 반전시키는 제 5 인버터; 및
상기 제 2 전압을 공급받아 상기 반전된 제 2 전압 레벨의 신호를 재반전시키는 제 6 인버터;를 포함하고,
상기 제 5 인버터 및 상기 제 6 인버터의 출력 신호를 상기 레벨 변환부를 구성하는 트랜지스터의 게이트에 각각 인가함으로써 논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 트랜지스터를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 1,
The delay cell,
A fifth inverter configured to receive the second voltage and invert a signal of the second voltage level converted through the level converter; And
And a sixth inverter receiving the second voltage to reinvert the signal of the inverted second voltage level.
And applying the output signals of the fifth inverter and the sixth inverter to gates of the transistors constituting the level converter, respectively, to turn off the transistors constituting the mirror structure in a logic high period.
입력 신호의 전압 레벨을 변경하여 출력하는 전압 레벨 쉬프터에 있어서,
제 1 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 입력 신호의 전압 레벨을 상기 제 1 전압으로 스윙하는 신호 입력부;
제 2 전압을 공급받는 전류 미러 구조를 이용하여 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 레벨 변환부;
상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용하여 상기 변환된 제 2 전압 레벨의 신호를 출력하는 출력 버퍼; 및
논리 하이의 경우 상기 제 2 전압을 공급받는 인버터를 이용한 지연을 통해 상기 미러 구조의 정전류를 방지하는 지연 셀;을 포함하고,
상기 레벨 변환부는,
상기 신호 입력부로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압(low voltage)용 트랜지스터 및 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터를 구비함으로써 고속으로 전압 레벨을 변환하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
In the voltage level shifter for changing and outputting the voltage level of the input signal,
A signal input unit configured to swing a voltage level of the input signal to the first voltage by using an inverter supplied with a first voltage;
A level converting unit converting the signal of the first voltage level into the signal of the second voltage level using a current mirror structure supplied with a second voltage;
An output buffer configured to output a signal of the converted second voltage level using an inverter supplied with the second voltage; And
A logic cell for delaying the constant current of the mirror structure through a delay using the inverter supplied with the second voltage in the case of logic high;
The level converting unit,
A low voltage transistor receiving a signal of a first voltage level from the signal input unit and a low voltage transistor of a current mirror structure for converting the signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level; The voltage level shifter characterized by converting the voltage level at high speed.
제 9 항에 있어서,
상기 레벨 변환부는,
상기 신호 입력부로부터 제 1 전압 레벨의 신호를 입력받는 로우 전압용 트랜지스터와 상기 제 1 전압 레벨의 신호를 상기 제 2 전압 레벨의 신호로 변환하는 전류 미러 구조의 로우 전압용 트랜지스터 사이에 산화막파괴(oxide breakdown)를 방지하는 트랜지스터를 캐스코드(cascode) 형태로 연결하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 9,
The level converting unit,
Oxide breakdown between a low voltage transistor receiving a signal of a first voltage level from the signal input unit and a low voltage transistor of a current mirror structure converting the signal of the first voltage level into a signal of the second voltage level. A voltage level shifter characterized by connecting a transistor which prevents breakdown in the form of a cascode.
제 10 항에 있어서,
상기 레벨 변환부를 구성하는 트랜지스터의 드레인-소스 전압과 게이스-소스 전압이 상기 산화막파괴를 발생시키는 전압 레벨을 넘지 않도록, 상기 캐스코드 형태로 연결된 트랜지스터의 게이트에 바이어스 전압(bias voltage)을 인가하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
11. The method of claim 10,
Applying a bias voltage to a gate of a transistor connected in the cascode form such that the drain-source voltage and the gate-source voltage of the transistor constituting the level converter do not exceed the voltage level at which the oxide breakdown occurs. Voltage level shifter characterized by.
제 11 항에 있어서,
상기 바이어스 전압은 상기 제 1 전압 레벨과 상기 제 2 전압 레벨 사이의 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 11,
The bias voltage is determined as a value between the first voltage level and the second voltage level.
제 9 항에 있어서,
상기 레벨 변환부는,
소스 단자가 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 1 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 1 트랜지스터;
소스 단자가 상기 접지 전원에 연결되고 드레인 단자가 제 2 노드에 연결되어 상기 신호 입력부로부터 게이트에 인가되는 제 1 전압 레벨의 신호에 따라 스위칭하는 제 2 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드와 연결되어 논리 하이 구간에서 제 2 전압 레벨에 따른 전류가 흐르게 되는 제 3 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 4 노드와 연결되며, 상기 제 3 트랜지스터와 전류 미러 구조를 구성함으로써 상기 제 3 트랜지스터의 소정 배율만큼의 전류가 흐르게 되는 제 4 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 노드와 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 5 트랜지스터;
소스 단자를 통해 상기 제 2 전압을 공급받고 드레인 단자가 상기 제 3 트랜지스터의 게이트, 제 4 트랜지스터의 게이트 및 상기 제 5 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 지연 셀로부터 게이트에 인가되는 신호에 따라 스위칭하는 제 6 트랜지스터;
소스 단자가 상기 제 1 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 7 트랜지스터;
소스 단자가 상기 제 2 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 8 트랜지스터;
소스 단자가 상기 제 3 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 5 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 9 트랜지스터; 및
소스 단자가 상기 제 4 노드와 연결되고 드레인 단자가 제 6 노드와 연결되어 게이트에 인가되는 상기 바이어스 전압에 따라 스위칭하는 제 10 트랜지스터;를 포함하고,
상기 제 6 노드를 통해 상기 미러 구조에 의해 증폭된 제 2 전압 레벨의 신호를 상기 출력 버퍼로 출력하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 9,
The level converting unit,
A first transistor having a source terminal connected to a ground power source and a drain terminal connected to a first node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate;
A second transistor having a source terminal connected to the ground power supply and a drain terminal connected to a second node to switch according to a signal of a first voltage level applied from the signal input unit to a gate;
A third transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the third node such that a current according to a second voltage level flows in a logic high period;
A fourth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, connected with the drain terminal to the fourth node, and configured to flow a current by a predetermined magnification of the third transistor by forming a current mirror structure with the third transistor;
A fifth transistor supplied with the second voltage through a source terminal, and having a drain terminal connected to the third node and switching according to a signal applied from the delay cell to a gate;
The second voltage is supplied through a source terminal, and a drain terminal is connected to a gate of the third transistor, a gate of a fourth transistor, and a source terminal of the fifth transistor, and is switched according to a signal applied from the delay cell to the gate. A sixth transistor;
A seventh transistor having a source terminal connected to the first node and a drain terminal connected to a fifth node to switch according to a bias voltage applied to the gate;
An eighth transistor having a source terminal connected to the second node and a drain terminal connected to a sixth node to switch according to the bias voltage applied to the gate;
A ninth transistor connected to the third node with a source terminal connected to the third node, and switched according to the bias voltage applied to the gate; And
A tenth transistor connected to the fourth node and a drain terminal connected to the sixth node to switch according to the bias voltage applied to the gate;
And outputting a signal of the second voltage level amplified by the mirror structure to the output buffer through the sixth node.
제 13 항에 있어서,
상기 제 5 트랜지스터 및 상기 제 6 트랜지스터는 하이 전압용 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 13,
And the fifth transistor and the sixth transistor are high voltage transistors.
제 13 항에 있어서,
상기 레벨 변환부는,
논리 하이 구간에서 상기 미러 구조를 구성하는 상기 제 3 트랜지스터 및 상기 제 4 트랜지스터가 오프됨에 따라 상기 출력 버퍼로 하이 신호를 공급하는 노드의 출력이 플로팅되는 것을 방지하는 PMOS 트랜지스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 레벨 쉬프터.
The method of claim 13,
The level converting unit,
And a PMOS transistor configured to prevent an output of a node supplying a high signal to the output buffer from being floated as the third and fourth transistors constituting the mirror structure are turned off in a logic high period. Voltage level shifter.
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