TWI331451B - Level shifter circuits - Google Patents

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TWI331451B TW96105668A TW96105668A TWI331451B TW I331451 B TWI331451 B TW I331451B TW 96105668 A TW96105668 A TW 96105668A TW 96105668 A TW96105668 A TW 96105668A TW I331451 B TWI331451 B TW I331451B
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1331451 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種電壓位準移位電路,特別是有 關於一種適用於高頻且低電壓之輸入信號的電壓位準移 , 位電路。 【先前技術】 電壓位準移位電路係將訊號在兩個不同的電壓供應 # 範圍中進行轉換,例如,電壓位準電路可以將由操作在 低電壓下之電路所產生的訊號,轉換到操作在高電壓下 之電路所需的電壓位準範圍。當需要同時使用兩個不同 之操作電壓位準範圍的電路時,電壓位準移位電路就會 被用來將其中一個電路產生的訊號電壓,轉換成在另一 個電路所需之操作電壓位準範圍内。 第1圖係顯示習知的電壓位準移位器10之電路圖, 習知的電壓位準移位器10可由兩個NMOS電晶體 _ 103A、103B,兩個 PMOS 電晶體 104A、104B,以及三 個反相器101、102A與102B所組成,其中輸入信號SIN_ 的電壓位準低於電壓源VDD。當輸入信號SIN為可使 NMOS電晶體103A導通的高電壓時,節點X的電壓會 因NMOS電晶體103A的導通而拉低至Vss,節點X的低 電壓Vss更進一步使PMOS電晶體104B導通,將節點Y 的電壓拉高至VDD,經過兩個反相器102A與102B缓衝 後,使得輸出信號S0UT之電壓位準拉高至VDD。而當輸 0773-A32708TWF;P2006061;alice 5 1331451 入信號SIN為無法導通NMOS電晶體103A之低電壓時, 輸入信號SIN經過反相器101反相後,形成可使NMOS 電晶體103B導通的高電壓。NMOS電晶體103B的導通 使節點Y的電壓拉低至Vss,在經過兩個反相器102A與 , 102B緩衝後,使得輸出信號SOUT之電壓位準拉低為低電 壓 Vss。 * 然而當輸入信號SIN為高頻且低電壓位準範圍的信 號時,由於輸入信號的電壓位準很低,因此當NMOS電 _ 晶體103A的導通時,導通的電流會很小,於是需要較多 . 時間將節點X的電壓拉低至Vss,導致電路的反應速度 . 過慢,例如當輸入信號SIN為5MHz的主時脈信號(Master Clock, MCK)時,由於節點X的電壓變化反應時間會大於 200ns,因此節點X的電壓來不及反應主時脈信號的變 化,而使得輸出信號S0UT之電壓位準來不及改變,導致 電壓位準移位器失去作用。 因此,需要一種改良的設計使得電壓位準移位適用 於高頻且低電壓位準的輸入信號。 【發明内容】 根據本發明之一實施例,一種電壓位準移位電路, 包括一第一第一電晶體,第一第一電晶體之第一極耦接 至第一電壓源,一第一第二電晶體,第一第二電晶體之 第一極耦接至第二電壓源,並且第一第二電晶體之閘極 耦接第一第一電晶體之閘極於一第一節點,一第一第三 0773-A32708TWF;P2006061 ;alice 6 丄幻1451 電晶體,耦接於第一第一電晶體與第— 間:-第-開關,耦接於第—第三電晶體之閘極 電壓源之間,一第二開關,耦接於第一第二:二 :f二電晶體之-第-連接點以及第-節點之;;:2第 ,盗’麵接於—信號輸人電路與第一節點 ,一#電 第-電晶體’第二第一電晶體之第一極 第一第一電晶體,第二第二電晶體之 至第二電壓源,並且第二第二電晶體之閘 3接 第-電晶體之閘極於一第二節點,一第二第曰:-麵接於第二第-電晶體與第二第二電晶體之;::: 口關,:接於第二第三電晶體之閉極與第二電壓 間’-第四開關,耦接於第二第二電晶體 晶體之-第二連接點以及第 ::第二電 耦接於第一第二電晶體之閘極與第一連接點之 二開關’麵,於第—第三電日日日體之間極與第二連接點之 y -反相α,_接於第—節點與第二節點之間, 土端、’用以輸出-輸出信號,以及-第七開關,耦接: 第一連接點與輸出端之間。 ; 根據本發明之另—音始加 _ 路,包括-第一 m:s/a : 電日日體,弟一 PMOS電晶#夕馮 極^至第-電壓源,-第一 NM〇s電晶體,第一== 電曰曰體之源極麵接至第二電麗源’並且第- NMOS電曰 體之閘極耦接第一 PM0S電晶體之閘極於一第一節點:曰 一第二削S電晶體,_於第—PM〇s電晶體與第一 〇773-A32708TWF;P2006061;aIice 7 1331451 NMOS電晶體之間,一第一開關,耦接於第二PMOS電 晶體之閘極與第二電壓源之間,一第二開關,耦接於第 一 NMOS電晶體與第二PMOS電晶體之一第一連接點以 及第一節點之間,一電容器,耦接於一信號輸入電路與 第一節點之間,一第三PMOS電晶體,第三PMOS電晶 體之源極耦接至第一電壓源,一第二NMOS電晶體,第 二NMOS電晶體之源極耦接至第二電壓源,並且第二 NMOS電晶體之閘極耦接至第三PMOS電晶體之閘極於 1 一第二節點,一第四PMOS電晶體,耦接於第三PMOS • 電晶體與第二NMOS電晶體之間,一第三開關’耦接於 , 第四PMOS電晶體之閘極與第二電壓源之間,一第四開 關,耦接於第二NMOS電晶體與第四PMOS電晶體之一 第二連接點以及第二節點之間,一第五開關,耦接於第 四PMOS電晶體之閘極與第一連接點之間,一第六開關, 耦接於第二PMOS電晶體之閘極與第二連接點之間,一 反相器,耦接於第一節點與第二節點之間,一輸出端, 用以輸出一輸出信號,以及一第七開關,搞接於第二連 接點與輸出端之間。 【實施方式】 為使本發明之製造、操作方法、目標和優點能更明 顯易懂,下文特舉幾個較佳實施例’並配合所附圖式’ 作詳細說明如下: 實施例: 0773-A32708TWF;P2006061 ;alice 8 1331451 第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位電路20,電壓位準移位電路20包括兩個NMOS 電晶體203A、203B,四個PMOS電晶體204A、204B、 205A、205B以及三個反相器101、102A、102B,其中 _ PMOS電晶體204A與204B之源極分別耦接至電壓源 VDD, PMOS電晶體204A之閘極耦接至節點A,PMOS 電晶體204B之閘極耦接至節點B,並且反相器101耦接 於節點A與節點B之間。NMOS電晶體203A與203B之 ® 源極分別耦接至電壓源Vss,NMOS電晶體203A之閘極 耦接至節點A,並且NMOS電晶體203B之閘極耦接至節 點B。PMOS電晶體205A耦接於PMOS電晶體204A與 NMOS電晶體203A之間,PMOS電晶體205B耦接於 PMOS.電晶體204B與NMOS電晶體203B之間。電壓位 準移位電路20更包括複數開關,其中開關211耦接於 PMOS電晶體205A之一閘極與電壓源Vss之間,開關212 耦接於節點C與節點A之間,開關213耦接於PMOS電 • 晶體205B之一閘極與電壓源Vss之間,開關214耦接於 節點D與節點B之間,開關215耦接於PMOS電晶體205B 之閘極與節點C之間,開關216耦接於PMOS電晶體205A 之閘極與節點D之間,開關217耦接於節點D與反相器 102A之間。第2圖中所示的電壓位準移位電路20更包 括電容器206以及一輸入電路2卜輸入電路21具有開關 218耦接輸入信號SIN至節點E,以及開關219耦接電壓 源VREF至節點E,其中輸入信號SIN可為一交流信號源’ 0773-A32708TWF;P2006061;alice 9 1331451 電壓源VREF可為〇·5倍Vdd,而電容器2〇6耦接於節點a 與節點E之間。 ‘‘” 第2圖中所示的電壓位準移位電路2〇,其中開關 21卜212、213、214以及219係根據控制信號s|執二切 換之動作,而開關215、216、217、218係根據控制作號 S2執行切換之動作,其中控制信號s i與控制信號s 2 ^ ^ 反相’以控制電壓位準移位電路2〇操作於兩個不同的階
第3圖係顯示第2圖中所示之電壓位準移位電路如 的第位準移位電路20的第-階段係利用於 制信號Si將開關21卜212、213、214以及219導通,^ 此時開關215、216、217、218無法導通而形成開路。如 第3圖中所示’由於開關211導通,電壓源使咖s 電晶體205A導通進而將PM0S電晶體2〇4A之汲極耦接 至,應OS f晶體203A之沒極,形成一反相器電路,其 中節點A為反相器之輸入端,節點c為反相器之輸出端: 由於開關212也導通,將反相器之輸入端與輸出端短路, 因此此輸入端與輸出端短路的反相器電路於節點A形成 一f流偏壓vINV,vINV之電壓值可介於v〇D與Vm之間, 隨著PMOS電晶體204A與NMOS電晶體203A的尺寸比 例變化而改變。同時由於開關219導通,將電壓源〜f 耦接至節點E,因此節點A與節點E分別具有電壓值:F 與進而於電容器206的兩端形成一跨壓( 第4圖係顯不第2圖中所示之電壓位準移位電路π 0773-A32708TWF;P2006061;alioe 10 1331451 的第二階段,電壓位準移位電路20的第二階段係利用控 制信號S2將開關215、216、217與218導通,而此時開 關211、212、213、214以及219無法導通而形成開路。 由於電壓位準移位電路20在第一階段於電容器206的兩 端形成一跨壓(Vinv_Vref) ’而輸入信號Sin為·一電壓位準 較低的交流信號。當輸入信號SIN的電壓位準VIN為可使 NMOS電晶體203A導通的相對高電壓時,由於電容器 206的兩端具有跨壓(Vinv_ Vref),因此卽點A的電磨位準 鲁 可被提南至Vin+(Vinv_ Vref) ’節點C的電壓位準也會因 NMOS電晶體203A的導通而拉低至Vss。另一方面輸入 信號SIN經過反相器101反相後,於節點B形成可使 PMOS電晶體204B導通的低電壓,又節點C的低電壓 Vss更進一步使PMOS電晶體205B導通,將節點D的電 壓拉高至VDD,在經過兩個反相器102A與102B緩衝後, 使得輸出信號S〇UT之電壓位準拉南至Vdd。而當輸入信 號SIN為無法使NMOS電晶體203A導通的低電壓時,輸 ® 入信號SIN經過反相器101反相後,形成可使NMOS電 晶體203B導通的高電壓。NMOS電晶體203B的導通使 節點D的電壓拉低至Vss,在經過兩個反相器102A與 102B緩衝後,使得輸出信號S0UT之電壓位準拉低至Vss。 由於電容器206兩端的跨壓(Vinv-Vref)可將郎點A 的電壓位準提高,當輸入信號SIN為高頻且低電壓位準範 圍的信號時,NMOS電晶體203A的閘極電壓可透過電容 器206兩端跨壓而被提雨至Vin+(Vinv-Vref),較局的閘 0773-A32708TWF;P2006061 ;alice 11 1331451 極電壓可產生足夠的驅動電流,因此根據本發明之實施 J所示之電壓位準移位電路2〇可反應高頻且低電壓位準 摩巳圍之輸入信號SIN的改變,將節點C的電壓迅速拉低至 VSS,並將PMOS電晶體205B導通,使得輪出信號s〇ut 之電壓位準可拉高至VDD。
第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位器之各節點之電壓位準與信號源之波形圖,其中 輸入信號sIN為電壓位準介於0〜2V,頻率為5MHz的主 時脈信iiRST為一控制信號,用以重置電容器施,以 避免電容器2G6的滲漏(leakage)現象影響電壓位準移位 電路20的運作,為一 〇8v的直流信號。待電路重 置完成’節點A帽位準開始隨著輸入信號&的變 =變’由於節點A具有電壓Vin+(Vinv_Vref),節點 t =可被提高至,足以反應主時脈信號的 快速、交化,因此輸出信號S〇UT可輸出相對應之電壓位準 移位結果。 ^發明雖以較佳實施例揭露如上,’然其並非用以限 疋本^月的範圍’㈣熟習此項技藝者,在不脫離本發 明之知神和範圍内,#可做些許的更動與潤飾,因此本 發明之保護範圍當視後附之申嗜直 交1^了 & T巧專利範圍所界定者為 平 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示―電麼位準移位器電路圖。 〇773-A327〇8TWF;P2〇〇6〇61 ;alice 12 1.331451 第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位器電路圖。 第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位器電路圖之第一階段。 第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位器電路圖之第二階段。 第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓位 準移位器之各節點之電壓位準與信號源之波形圖。
【主要元件符號說明】 10、20〜電壓位準移位器; 21〜輸入電路; 101、102A、102B〜反相器; 103A、103B、203A、203B〜NMOS 電晶體; 104A、104B、204A、204B、205A、205B〜PMOS 電 晶體;
211、212、213、214、215、216、217、218、219 〜 開關; A、B、C、D、E、X、Y〜節點; RST、S!、S2〜控制信號;
Sin〜輸入信號; S0UT〜輸出信號;
Vdd、Vss、Vref〜電壓源;
ViN、Vinv〜電壓。 0773-A32708TWF;P2006061;alice 13

Claims (1)

1331451 _ - 第96105668號申請專利範圍修正本 9$ 5月6日^修正日期:99.5.6 十、申請專利範圍: 1.一種電壓位準移位電路,包括: 一第一第一電晶體,上述第一第一電晶體之一第一極 耦接至一第一電壓源; 一第一第二電晶體,上述第一第二電晶體之一第一極 耦接至一第二電壓源,並且上述第一第二電晶體之一閘極 耦接上述第一第一電晶體之一閘極於一第一節點; 一第一第三電晶體,耦接於上述第一第一電晶體與上 *述第-第二電晶體之間; 一第一開關,耦接於上述第一第三電晶體之一閘極與 上述第二電壓源之間; 一第二開關,耦接於上述第一第二電晶體與上述第一 第三電晶體之一第一連接點以及上述第一節點之間; 一電容器,耦接於一信號輸入電路與上述第一節點之 間; Φ 一第二第一電晶體,上述第二第一電晶體之一第一極 耦接至上述第一電壓源; 一第二第二電晶體,上述第二第二電晶體之一第一極 耦接至上述第二電壓源,並且上述第二第二電晶體之一閘 極耦接至上述第二第一電晶體之一閘極於一第二節點; 一第二第三電晶體,耦接於上述第二第一電晶體與上 述第二第二電晶體之間; 一第三開關,耦接於上述第二第三電晶體之一閘極與 上述第二電壓源之間; 0773-A32708TWFl(20100304) 14 1331451 修正曰期:99.5 6 第96105668號申請專利範圍修正本 一第四開關,執接於卜十、窜 第三電曰俨之一望弟二電晶體與上述第二 二-弟一連接點以及上述第二節點之間. -第五開關’耦接於上述第’ 與上述第-連接點之間;¥弟―電日日粗之上述閘極 -第六開關’耦接於上述第 與上述第二連接點之間; 弟-電阳體之上述閘極 間;-反相器,_於上述第_節點與上述第二節點之 -輸出端,用以輸出一輸出信號;以及 間。一第七開關’叙接於上述第二連接點與上述輸出端之 2.如申請專鄕㈣I項所述 其中上述信號輸入電路包括: 作位電路, 間;八開關’耦接於一交流信號源與上述電容器之 間。一第九開關,純於—第三㈣源與上述電容器之 3. 如申請專利範圍第$頊 其中上述第、上^ ^電壓位準移位電路, 第四κ b处第幵1關、上述第三開關、上述 ^動:關以及上述第九開關根據一第一控制信號執行切換 4. 如申請專利範圍第3頊所 1中上诚笼$ „μ '斤以之電壓位準移位電路, 述第二述第六開關、上述第七開關以及上 開關根據一弟二控制信號執行切換之動作。 〇*77^-A327〇8TWFl (20100304) 15 1331451 修正日期:99.5.6 .第96]05668號申請專利範圍修正本 如申專利範圍第4項所述之電壓位準移位電路, 其中上述第一控制信號與上述第二控制信號互為反相。 6·如^請專利範圍第1項所述之電壓位準移位電路, 其中上述第第二電晶體耦接於上述第一第一電晶體之一 第二?與上述第一第二電晶體之一第二極之間,並且上述 第二第三電晶軸接於上述第H晶禮之-第二極與 上述第二第二電晶體之一第二極之間。 7.如申明專利旄圍第丨項所述之電壓位準移位電路, 更包括-反相器組’具有偶數個串聯之反相器,用以緩衝 上述輸出信號。 8.如申請專利範圍第2項所述之電壓位準移位電路, 其中上述第三電壓源之—電壓值為上述第—電㈣之一電 壓值的0.5倍。 9.一種電壓位準移位電路,包括: 一第- PMOS電晶體,上述第—pM〇s電晶體之一源 φ 極耦接至一第一電壓源; 一第一 NMOS電晶體,上述第_ NM〇s電晶體之一 源極耗接至-第二電壓源,並且上述第__ NM〇s電晶體之 一閘極_接上述第〜PM0S f晶體之一閑極於一第一節 第一 PMOS電晶體,輕接於上述第—pM〇s電晶體 與上述第一 NMOS電晶體之間; -第-開關,耦接於上述第二PM〇s電晶體之一閘極 與上述第二電壓源之間; 0773-A32708TWF1 (20100304) 16 1331451 第96105668號申請專利範圍修正本 修正日期:99.5.6 一第二開關,耦接於上述第一 NMOS電晶體與上述第 二PMOS電晶體之一第一連接點以及上述第一節點之間; 一電容器,麵接於一信號輸入電路與上述第一節點之 間; 一第三PMOS電晶體,上述第三PMOS電晶體之一源 極耦接至上述第一電壓源; 一第二NMOS電晶體,上述第二NMOS電晶體之一 源極耦接至上述第二電壓源,並且上述第二NMOS電晶體 之一閘極耦接至上述第三PMOS電晶體之一閘極於一第二 印點, 一第四PMOS電晶體,耦接於上述第三PMOS電晶體 與上述第二NMOS電晶體之間; 一第三開關,耦接於上述第四PMOS電晶體之一閘極 與上述第二電壓源之間; 一第四開關,耦接於上述第二NMOS電晶體與上述第 四PMOS電晶體之一第二連接點以及上述第二節點之間; 一第五開關,耦接於上述第四PMOS電晶體之上述閘 極與上述第一連接點之間; 一第六開關,耦接於上述第二PMOS電晶體之上述閘 極與上述第二連接點之間; 一反相器,耦接於上述第一節點與上述第二節點之 間; 一輸出端,用以輸出一輸出信號;以及 一第七開關,耦接於上述第二連接點與上述輸出端之 0773-A32708TWF1 (20100304) 17 1331451 m 第96105668號申請專利範圍修正本 修正日期:99.5.6 間。 10. 如申請專利範圍第9項所述之電壓位準移位電 路,其中上述信號輸入電路包括: 一第八開關,耦接於一交流信號源與上述電容器之 間,以及 ' 一第九開關,耦接於一第三電壓源與上述電容器之 間。 11. 如申請專利範圍第10項所述之電壓位準移位電 • 路,其中上述第一開關、上述第二開關、上述第三開關、 上述第四開關以及上述第九開關根據一第一控制信號執行 切換之動作。 12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓位準移位電 路,其中上述第五開關、上述第六開關、上述第七開關以 及上述第八開關根據一第二控制信號執行切換之動作。 13. 如申請專利範圍第12項所述之電壓位準移位電 φ 路,其中上述第一控制信號與上述第二控制信號互為反相。 14. 如申請專利範圍第9項所述之電壓位準移位電 路,更包括一反相器組,具有偶數個串聯之反相器,用以 緩衝上述輸出信號。 15. 如申請專利範圍第9項所述之電壓位準移位電 路,其中上述第二PMOS電晶體耦接於上述第一 PMOS電 晶體之一汲極與上述第一 NMOS電晶體之一汲極之間,並 且上述第四PMOS電晶體耦接於上述第三PMOS電晶體之 一汲極與上述第二NM0S電晶體之一汲極之間。 0773-A32708TWFl(20100304) 18 1331451 第96105668號申請專利範圍修正本 修正日期:99.5.6 1 6.如申請專利範圍第1 0項所述之電壓位準移位電 路,其中上述第三電壓源之一電壓值為上述第一電壓源之 一電壓值的0.5倍。 0773-A32708TWF1 (20100304) 19
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