专利名称：N阱电位切换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于N阱电位切换技术、可以连接大阻值上拉电阻且 彻底消除N阱电位切换时PMOS阈值电压限制的3/5V兼容输入输出的电 路，属于微电子技术。
技术背景在集成电路的应用领域里， 一个工作在一定低电压下的芯片经常需要 和一个工作在相对高电压的芯片相连接，例如一个工作在3.3V电压下的 CPU需要和一个工作在5.0V电压下的外围电路相连，3.3V的CPU产生 的高电平信号为3.3V，而5.0V外围设备产生的高电平信号为5.0V，为了 实现线与(线或)信号，会把它们的输出信号连接在一起，若不加任何保 护措施的话，很明显，5.0V电源的电流会倒灌入3.3V电源；而且若连接 的外围电路上拉电阻为大阻值电阻的时候，譬如100kQ，发现芯片的输出 端可能产生振荡，如图2所示。虽然现在己经产生了一些N阱电位切换技 术能解决此问题，但这些技术的原理归根结底都是建立在如图1所示的传 统解决方案下的，这种电路存在以下的缺点(1) PAD上的电压必须要满足N阱电位才能实现正常的切换到电压较高的外部上拉电源。若PAD电压处于
因为从PAD端到制造PMOS的N阱之间有一个PN结，所以从PAD到N阱之间会持续有--'个漏电流。(2)在PAD上外接100kQ如此大的上拉电阻的情况下，PAD电位会产 生振荡。在N阱电位切换前，等待PAD上的电量积蓄到满足N阱电位切 换条件后，N阱电位开始切换。在切换的瞬间，由于M8的低电阻率，使 PAD电位立即下降并且趋于接近VDD。此时的PAD电位己经不能满足N 阱电位切换条件，M8恢复关闭。等M8关闭后，PAD上的电量重新开始 积蓄，然后PAD电位又会满足切换条件，于是再次开始切换。如此反复， PAD上的电压很容易引起振荡，导致不能正常产生高电平。 发明内容本发明的目的是提供一种当输出端口电压高出芯片工作电压几十毫 伏时，仍然能够实现N阱电位的正常切换，而且消除了 N阱电位切换过程 中产生的振荡现象，使输出端口电平很容易地上升到外接上拉电源电压的 切换电路。为实现上述目的，本发明N阱电位切换电路包含N阱电位切换模块、 N阱电位切换控制模块、微电流源上拉模块和低电平驱动模块，其原理如 图3所示，其中a)所述N阱电位切换模块由N阱电位切换主体、防抖电阻2和两个 选通开关4和5组成构成N阱电位切换主体的两个PMOS管P1和P2 中，P1的源端连接电源VDD， P2的源端通过防抖电阻2连接本切换电路 的输出端，P1的漏端、衬底和P2的漏端、衬底互相连接在一起输出N阱 电位，P1的栅极分别与选通开关4的一端和选通开关5的一端相连，P2 的栅极连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端；选通开关4的另一端 连接到所述N阱电位，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端;选通开关5的另一端连接到地(GND)，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端；b) 所述N阱电位切换控制模块由比较器和逻辑控制单元组成；比较器的-个输入端连接到芯片电源VDD，另一个输入端连接到本切换电路的 输出端，比较器的输出连接到逻辑控制单元的输入端；逻辑控制单元的另 一个输入端连接到本切换电路的输入端，逻辑控制单元的输出端与N阱电位切换模块中P2的栅极相连；c) 所述微电流源上拉模块由镜像电流源、电流阱M、防抖电阻1和三个选通开关1 、 2和3组成；镜像电流源的衬底连接到所述N阱电位；选通开关1的一端连接到镜像电流源的偏置电平上，另一端连接到所述N阱电位，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块中比较器的输出端；选通开关2的一端连接到所述镜像电流源的输入端，另一端通过电流阱11接地，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块中比较器的输出端；选通开关3的一端连接到所述镜像电流源的输出端，另一端通过防抖电阻1连接 本切换电路的输出端，选通端连接到本切换电路的输入端；d) 所述低电平驱动模块是能提供低电平输出驱动能力的器件，其输 入端和输出端分别与本切换电路的输入端和输出端相连。本发明N阱电位切换电路可以利用普通的P衬底CMOS工艺制造成芯片形式，它能够自动识别所应用的工作模式，并作相应的处理在推挽
输出特性下，芯片内部会提供几十微安的弱上拉能力；在开漏输出特性下， 芯片会自动切断内部微安级的弱上拉电流源，防止电流从外接上拉电源 (Vpullup)倒灌入芯片工作电源(VDD)。具有以下优点(1) 彻底根除VTHp这个闳值电压的限制。因为在普通的P衬底CMOS工艺中，VTHP的值一般为-0.7 -1.2V左右，所以这个工艺固有的条件往 往会限制这些电路的应用。而本发明N阱电位切换电路彻底根除了此限制条件。(2) 在开漏的特性下，即使外接100kQ的上拉电阻，本发明切换电路 也能保证实现N阱电位的正常切换，无振荡产生(如图5所示)。(3) 在幵漏的特性下，输出高电平时，外接上拉电源真正实现零漏电。
图1是现有技术N阱电位切换电路原理图；图2是现有技术N阱电位切换过程中容易产生的抖动振荡波形示意图；图3是本发明N阱电位切换电路原理图； 图4是本发明N阱电位切换电路实施例原理图； 图5是本发明N阱电位切换电路的仿真波形图。
具体实施方式
本发明N阱电位切换电路的一个实施例如图4所示，它由N阱电位切 换模块、N阱电位切换控制模块、微电流源上拉模块和低电平驱动模块组成。微电流源上拉模块主要产生一个弱驱动能力的微电流源， 一般为几十
微安。模块中的M为芯片产生的参考电流，经M1、 M2构成的镜像电流 源放大后产生几十微安的上拉电流。模块中的M3为PMOS开关管，M4 为NMOS开关管。当有外接上拉电源时，M3开启，M4关闭。M3开启的 目的是把高于VDD的N阱电位传送到M1和M2的栅极，这样既能关闭内 置的弱上拉电流源，改由外接上拉电源驱动；同时还能防止外接上拉电源 经过R1、 M5、 M2后倒灌入Vdd，因为此时的M5为导通状态。M4关闭 的原因也是为了关闭弱上拉电流源，同时它还能防止N阱电位经过M3、 M4、 11后流入地。模块中的M5为PMOS开关管，当输出高电平时开启 此MOS管，当输出低电平时，关闭此MOS管。模块中的R1为N阱电 位切换时的防抖电阻，防止PAD—OUT电位产生振荡。N阱电位切换控制模块主要目的是产生N阱电位切换控制信号。模块 由一个回差比较器和一个或门组成。图中的R3是ESD保护电阻，与控制 电路的功能没有关系。比较器的行为是当PAD—OUT上的电平高于vdd 加一个比较器回差量(VHYS)时，比较器输出为低电平；当PAD—OUT上 的电平低于VoD时，比较器输出为高电平。结合或门电路，此控制模块处 理三个信号输入状态，产生一个切换控制信号(1) 输入COREJN-高电平。此状态要求输出PAD—OUT为低电平，所 以在此状态F不考虑输出PAD_OUT上的电平。输出N阱电位切换 控制信号为高电平，即N阱电位为VDD。(2) 输入COREJN-低电平，^,^r,，,〈(F朋+^、,)。相当于没有外接上拉电源或外接上拉电源没有达到一定的电压要求。输出N阱电 位切换控制信号为高电平，即N阱电位为VDD。
(3)输入COREJN-低电平，<formula>formula see original document page 9</formula>相当于有外接上拉电 源且它已经达到一定的电压要求。输出N阱电位切换控制信号为低 电平，即N阱电位切换为较高的外接上拉电源电压。 N阱电位切换模块主要用于产生N阱电位。根据控制模块的控制信号它会自动选取vdd和外接上拉电源中电压较高的一个作为N阱电位。这样能防止外接上拉电源倒灌入vdd。 M7、 M8构成传统的N阱电位切换电路 结构。但他们的控制方式不一样。M8的栅极不再有缺陷的连接到vdd，而 是连接到N阱电位切换控制模块的输出。当需要N阱电位切换到较高的外 接上拉电源时，控制模块的输出为低电平，这样就彻底根除了传统方案中外接上拉电源电压必须大于等于芯片工作电源电压加一个IVTHpl的限制条件。M9的作用类同于M3，当N阱电位切换到较高的外接上拉电源后， 通过M9把M7的栅极电压也置为较高的外接上拉电平。否则N阱电位经 M7后会流入VDD。 M10的作用是在不需要切换到外部较高上拉电源的情 况下，由M10置M7的栅极为低电平，从而把N阱电位固定为VDD。模块 中的R2为N阱电位切换时的防抖电阻，防止在N阱电位切换过程中 PAD—OUT电位产生振荡。低电平驱动模块可以提供低电平输出驱动能力。M6为低电平输出驱 动器件。若芯片内部要求输出端输出低电平时，M6被导通，使输出强行 下拉到地，提供低电平输出驱动能力。若芯片内部要求输出端输出高电平 时，M6被关闭。通过等效变换可以粗略的得到外接上拉电源(VPUIIUP)、外接上拉电阻 (Rpuiiup)、限流电阻(R2)、芯片工作电源(Vdd)、比较器回差(Vhys)五者之间具有如下的关系式:<formula>formula see original document page 10</formula>根据上面的不等式，我们可以做如下的假设VHYS=25mV， R2=16kQ。假设的这些参数可以通过电路设计时设定。当Rpullup=4.7kD 。我们可以得到如下的不等式(Vpullup-VDD ) S2.34mV。此式意味着只要外接上拉电源电压大于等于芯片的工作电源电 压32.34mV， N阱电位就能正常地切换到外接的上拉电源。当Rpullup=100kQ。我们可以得到如下的不等式(vpullup-vDD)2181.25mV。此式意味着即使外接上拉电阻大到100kQ，但是只要外接上 拉电源电压大于等于芯片的工作电源电压181.25mV，N阱电位就能正常地 切换到外接的上拉电源。由此可见，本发明N阱电位切换电路的特征和优点显而易见。
权利要求
1. 一种N阱电位切换电路，其特征在于它包含N阱电位切换模块、N阱电位切换控制模块、微电流源上拉模块和低电平驱动模块，其中a)所述N阱电位切换模块由N阱电位切换主体、防抖电阻2和两个选通开关4和5组成；构成N阱电位切换主体的两个PMOS管P1和P2中，P1的源端连接电源VDD，P2的源端通过防抖电阻2连接本切换电路的输出端，P1的漏端、衬底和P2的漏端、衬底互相连接在一起输出N阱电位，P1的栅极分别与选通开关4的一端和选通开关5的一端相连，P2的栅极连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端；选通开关4的另一端连接到所述N阱电位，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端；选通开关5的另一端连接到地(GND)，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块的输出端；b)所述N阱电位切换控制模块由比较器和逻辑控制单元组成；比较器的一个输入端连接到芯片电源VDD，另一个输入端连接到本切换电路的输出端，比较器的输出连接到逻辑控制单元的输入端；逻辑控制单元的另一个输入端连接到本切换电路的输入端，逻辑控制单元的输出端与N阱电位切换模块中P2的栅极相连；c)所述微电流源上拉模块由镜像电流源、电流阱I1、防抖电阻1和三个选通开关1、2和3组成；镜像电流源的衬底连接到所述N阱电位；选通开关1的一端连接到镜像电流源的偏置电平上，另一端连接到所述N阱电位，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块中比较器的输出端；选通开关2的一端连接到所述镜像电流源的输入端，另一端通过电流阱I1接地，选通端连接到所述N阱电位切换控制模块中比较器的输出端；选通开关3的一端连接到所述镜像电流源的输出端，另一端通过防抖电阻1连接本切换电路的输出端，选通端连接到本切换电路的输入端；d)所述低电平驱动模块是能提供低电平输出驱动能力的器件，其输入端和输出端分别与本切换电路的输入端和输出端相连。
全文摘要
本发明涉及一种基于N阱电位切换技术、可以连接大阻值上拉电阻且彻底消除N阱电位切换时PMOS阈值电压限制的3/5V兼容输入输出的电路，它包含N阱电位切换模块、N阱电位切换控制模块、微电流源上拉模块和低电平驱动模块；在推挽输出特性下，电路内部会提供几十微安的弱上拉能力；在开漏输出特性下，电路会自动切断内部微安级的弱上拉电流源，防止电流从外接上拉电源倒灌入电路工作电源，具备弱上拉、强下拉的较广泛适应能力。
文档编号H03K19/0175GK101212219SQ20061014884
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者栋 黄 申请人:百利通电子(上海)有限公司