专利名称：用于高速低功率电平转换的电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种用于 在工作于不同逻辑电压范围的系统间的接口处对逻辑信号的电压电 平进行变换的电平转换器及方法。
背景技术：
包括BiCMOS集成电路在内的多种电路必须在工作于不同逻辑电 平电压值的电路之间传递时钟信号、逻辑控制信号以及状态信号。这 类电路通常被称为逻辑转换器。当工作于不同逻辑电压范围的两个电 路共用一条公共电压轨线(例如，公共接地轨线或者回复电压轨线) 时，在它们之间提供高速低功率的电平转换器是相对容易的。
但是，当每个电路各有一对电压轨线而且这些轨线中的任意一 条轨线均未被两个电路所共用时，上述问题就变得困难得多了。当一 对电压轨线的电压电平相对于另 一 对电压轨线的电压电平移动时，电 平转换器的输出端上的逻辑电平可能会相对于其输入端上的逻辑电 平发生变化。在传统的高速电平转换器中，在稳定模式下消耗了较高 功率来将逻辑电平保持为恒定。因此，希望的是，提供一种高速低功
率的电平转换器来支持具有至少两对供电轨线的系统的操作。
发明内容
本发明的公开内容提供了一种新颖的电平转换电路，该电平转 换电路具有切换电流发生器，其响应于输入逻辑信号的切换来产生切
换电流，以便对输出逻辑信号进行切换，该电平转换电路还具有保持 电流发生器，用于产生保持电流，以便根据输入信号的逻辑电平来保 持输出信号的逻辑电平。保持电流被产生为独立于切换电流。
根据本发明的一个方面，电平转换器支持各具有一对电压轨线的电路间的电平转换。具体地说，输入信号可具有第一电压值下的第 一逻辑电平以及第二电压值下的第二逻辑电平，输出信号可具有第三 电压值下的第一逻辑电平以及第四电压值下的第二逻辑电平，其中第 一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值互不相同。
根据所公开的实施例，切换电流发生器可包括用于产生第一电 流脉冲的第一电流脉冲发生器以及用于产生第二电流脉冲的第二电 流脉冲发生器，第一电流脉冲与第二电流脉冲极性相反。差分电流传 感器可被布置用于响应于第一电流脉冲和第二电流脉冲来对输出信 号进行切换。
差分电流传感器可包括响应于第一电流脉冲的第一电流镜、 响应于第二电流脉冲的第二电流镜、以及响应于第一电流镜和第二电 流镜所产生的信号的第三电流镜.。与第三电流镜相耦接的输出电流传 感器(例如施密特触发器)可产生输出信号。
保持电流发生器可将保持电流提供给第一电流脉冲发生器以及 第二电流脉冲发生器，以便对第一电流脉冲和第二电流脉冲之一进行 放大。
第一电流脉冲发生器可包括响应于输入信号的第一反相器以 及耦接在第一反相器的输出和第一电流镜之间的第一电容元件。第二 电流脉冲发生器可包括连接至第 一 反相器的输出的第二反相器以及 耦接在第二反相器的输出和第二电流镜之间的第二电容元件。
可在保持电流发生器和第一电流镜之间连接第一开关，该第一 开关被第一反相器的输出信号所控制。可在保持电流发生器和第二电 流镜之间连接第二开关，该第二开关被第二反相器的输出信号所控 制。
切换电流发生器被提供有与输入信号相对应的电压轨线所产生 的电压值，而差分电流传感器则被提供有与输出信号相对应的电压轨 线所产生的电压值。
如果与输入信号的高逻辑电平相对应的电压值低于与输出信号 的高逻辑电平相对应的电压值，即当电平转换器将信号从具有较低电 压电平的电路传递至具有较高电压电平的电路时，电流脉冲发生器的第一开关和第二开关包括P型场效应器件。但是，在电平转换器将信 号从具有较高电压电平的电路传递至具有较低电压电平的电路时，电
流脉冲发生器的第一开关和第二开关包括N型场效应器件。
根据本发明的另一方面， 一种用于在不共用电压轨线的电路之 间传递逻辑信号的系统，该系统包括切换信号发生器，用于响应于 输入信号的逻辑电平中的改变来产生切换信号，以便改变输出信号的 逻辑电平，并且还包括保持信号发生器，用于以独立于切换信号的方 式产生保持信号，以便根据输入信号的逻辑电平来对输出信号的逻辑 电平进行保持。
根据本发明的方法，执行以下步骤以提供电平转换 -响应于输入信号的逻辑电平中的改变来产生切换信号，以便 改变输出信号的逻辑电平，以及
-以独立于切换信号的方式产生保持信号，以便根据输入信号 的逻辑电平来对输出信号的逻辑电平进行保持。
根据下面的详细说明，本发明的其它优点和方面将对本领域技 术人员来说变得明显，其中通过说明对实践本发明来说最好的模式的 方式，示出并描述了本发明的实施例。如将要描述的那样，本发明可 具有其它不同的实施例以及通过各种考虑而得到的修改，这些都没有 脱离本发明的精神。所以，阳图及说明被认为是说明性的，而非限制 性的。
在结合附图来阅读本发明时，本发明实施例的详细说明可以得 到最佳的理解，附图中无需对特征进行按比例绘制，而是可以将其绘 制成最好地说明了相关特征，附图中
图1是说明了本发明的电平转换器所执行的操作的简化框图。
图2说明了用于提供从较低电压电平转换至较高电压电平的电 平转换的电平转换器的示例性实施例。
图3说明了用于提供从较高电压电平转换至较低电压电平的电 平转换的电平转换器的示例性实施例。
具体实施例方式
图1是说明了本发明的电平转换器10所执行的操作的简化框 图，该电平转换器IO可对从电路1 (具有电压轨线VL和回复电压轨 线VLRTN)提供到电路2 (具有电压轨线VH和回复电压轨线VHRTN) 的逻辑信号提供电平转换。各个电压轨线所提供的电压电平VL、 VLRTN、 VH和VHRTN可能互不相同。所以，电平转换器10可以支持 并不共用任何公共电压轨线的电路1和电路2之间的接口。
从电路1提供至电平转换器10的输入逻辑信号IN可能具有电 压电平VL所定义的第一逻辑电平(例如高逻辑电平)以及与电压电 平VLRTN相对应的第二逻辑电平(例如低逻辑电平)。从转换器10 提供至电平电路2的输出逻辑信号OUT可能具有电压电平VH所定义 的第一逻辑电平(例如高逻辑电平).以及与电压电平VHRTN相对应的 第二逻辑电平(例如低逻辑电平)。
电平转换器10可能包括一对电流脉冲发生器12和14、保持电 流发生器16以及差分电流传感器18。当输入逻辑信号IN从一个逻 辑电平切换至另一个逻辑电平时，电流脉冲发生器12和14产生极性 相反的一对切换电流脉冲，以便提供响应于输入信号切换的输出信号 0UT的切换。例如，当信号IN从其低逻辑电平进入其高逻辑电平时， 电流脉冲发生器12和14所产生的切换电流脉冲提供了信号0UT从其
低逻辑电平到其高逻辑电平的切换。
保持电流发生器16产生保持电流来将输出信号0UT的逻辑电平 保持成与输入信号IN的逻辑电平相一致，例如当IN信号保持在高逻 辑电平时，保持电流防止输出信号OUT移动至低逻辑电平。在稳定状 态下，即使VH和VHRTN电压电平相对于VLRTN电压电平移动，保持 电流仍将逻辑电平保持为恒定。保持电流发生器16可被配置用于针 对VH、 VHRTO、和VLRTN之间的电压差的任何任意比例的变化，产生 期望值的保持电流。保持电流可能被提供至电流脉冲发生器12和14。 响应于电流脉冲发生器12和14所产生的一对极性相反的电流脉冲， 差分电流传感器18提供了输出信号OUT的切换。虽然保持电流参与了信号切换，但是它的主要功能在于保持输 出信号的逻辑电平。相对于提供确定了电平转换器10的切换速度的 切换电流，该功能要求的功率小得多。根据本发明，保持电流的产生 独立于切换电流，从而将保持逻辑电平的功能与信号切换的功能分 开。所以，电路设计者能够分别选择电路的切换速度以及静态功率。
切换速度由切换电流确定，并且可以通过调节电流脉冲发生器 12和14来选择切换速度。静态功率取决于保持电流，保持电流确定 了电流的电源噪声抑制。因此，即使切换电流变得较大以便提供较高 的切换速度时，所产生的保持电流仍可以是足以保持逻辑电平的最小 电平。所以，设计人员能够创建具有较低功耗的高速电平转换器。
电平转换器10的输入逻辑信号IN可能具有低于或者高于输出 逻辑信号OUT的电压电平。图2说明了用于提供从电压轨线VL和 VLRTN所定义的较低电压电平转换至电压轨线VH和V服TN所定义的 较高电压电平的电平转换的电平转换器10的示例性实施例。第一电 流脉冲发生器12可包括用于接收输入信号IN的反相器102、与反 相器102耦接的电容器104、以及由反相器102的输出所控制的开关 106 (例如P型MOSFET)。第二电流脉冲发生器14可能包括与反 相器102的输出耦接的反相器108、与反相器108耦接的电容器110、 以及由反相器108的输出所控制的开关112 (例如P型MOSFET)。保 持电流发生器16可包括用于产生保持电流的电流源I皿。。电流源I亂D 可连接至开关106和开关112。
差分电流传感器18可包括由诸如P型MOSFET之类的开关114 和116组成的第一电流镜、由诸如P型MOSFET之类的开关118和120 组成的第二电流镜、由诸如N型MOSFET之类的开关122和124组成 的第三电流镜、以及诸如施密特触发器之类输出传感器126。第一电 流镜连接至第一电流脉冲发生器的输出，第二电流镜耦接至第二电流 脉冲发生器的输出。在第一电流镜和第二电流镜的输出端处布置第三 电流镜。输出传感器126连接至第三电流镜，从而将信号0UT输出。 本领域技术人员可以认识到，双极晶体管可用来取代M0SFET以执行 电流镜和电流脉冲发生器的操作。并且，除了施密特触发器之外，还
10可以利用任何合适的输出驱动装置来实现输出传感器126。
电压轨线VL和VLRTN可将电能提供至电流脉冲发生器12和14 以及保持电流发生器16的组件。电压轨线VH和VHRTN可将电能提供 给差分电流传感器i8的组件。
例如，当信号IN从与VLRTN电压相对应的低逻辑电平进入与VL 电压相对应的高逻辑电平时，反相器102对其进行缓冲及反向，这就 拉低了提供给电容器104的输出信号。反相器102的输出信号使得晶 体管106导通，该晶体管106具有与其栅极相关的寄生电容。该寄生 电容增强了电容器104的效果，电容器104将较大负充电脉冲提供给 节点130，从而使得电流流入晶体管114。负电流脉冲克服了节点130 上的与晶体管114和116的栅极电容相关的所有寄生电容的问题。电 流脉冲发生器12所产生的负电流脉冲被来自保持电流发生器16的保 持电流lH,所放大。远大于保持电流I,D的电流流入晶体管114，并 且该电流在晶体管116被镜像。来自晶体管116的电流拉升了节点 132。
几乎在反相器102的输出信号响应于信号IN的高逻辑电平而走 低的同时，反相器108的输出信号走高。这就在节点134产生了正充 电脉冲。并且，晶体管112停止对保持电流1，』进行传导。晶体管 112的寄生栅极电容也有助于在节点134产生正充电脉冲，其迅速地 使得晶体管118和120截止。由于节点136中没有电流，所以晶体管 122和124截止。
节点132处的强上拉电流以及晶体管124对下拉电流的终止使 得节点132迅速上拉。施密特触发器126检测到这一转变，并且使输 出信号PUT从VHRNT电压上升至VH电压。当信号IN从高逻辑电平下 降至低逻辑电平，出现了一个对称的逆过程，以使得OUT信号走低。
图2的布置使得设计人员可以将电平转换器的切换功能与其保 持功能相分开。例如，在通过调节电容器104和IIO的值来增大切换 速度的同时，设计人员可将保持电流保持在足以保持逻辑电平恒定的 最小电平，以便提供较小的静态功率。
图3说明了用于提供从电压轨线VH和VHRTN所定义的较高电压电平转换至电压轨线VL和VLRTN所定义的较低电压电平的电平转换 的电平转换器200的示例性实施例。与图2所示的实施例相类似，电 平转换器200可包括用于产生极性相反的切换电流脉冲的一对电流 脉冲发生器、保持电流发生器以及差分电流传感器。
第一电流脉冲发生器可包括用于接收输入信号IN的反相器
202、与反相器202耦接的电容器204、以及由反相器202的输出所 控制的开关206。第二电流脉冲发生器可能包括与反相器202的输 出耦接的的反相器208、与反相器208耦接的电容器210、以及由反 相器208的输出所控制的开关212。与图2的电流脉冲发生器不同的 是，开关206和开关212可能被实现为使用N型M0SFET。保持电流 发生器可包括用于产生保持电流的电流源Ih。l。。电流源I旨d可連接至 开关206和开关212。
差分电流传感器可包括由诸如N型MOSFET之类的开关214和 216组成的第一电流镜、由诸如N型MOSFET之类的开关218和220 组成的第二电流镜、由诸如P型MOSFET之类的开关222和224组成 的第三电流镜、以及诸如施密特触发器之类输出传感器226。第一电 流镜连接至第一电流脉冲发生器的输出，而第二电流镜耦接至第二电 流脉冲发生器的输出。在第一电流镜和第二电流镜的输出端处布置第 三电流镜。输出传感器226连接至第三电流镜，从而将信号OUT输出。 电压电平VH和V服TN可被提供给电流脉冲发生器和保持电流发生器 的组件，而电压电平VL和VLRTN可被提供给差分电流传感器的组件。
电平转换器200的操作类似于图2中的电平转换器10的操作。 当输入逻辑信号IN从其一个逻辑电平切换至另一个逻辑电平时，电 流脉冲发生器产生一对极性相反的电流脉冲，以便提供对输出逻辑信 号OUT的各个切换。保持电流发生器产生保持电流I,d以将瑜出信号 OUT的逻辑电平保持为与输入信号IN的逻辑电平相一致。由于保持 电流被产生为独立于切换电流，所以，电路设计者能够分别选择决定 了电路切换速度的切换电流以及决定了静态功率的保持电流。可通过 调节电容器204和210的值来增大切换速度。可通过将保持电流选择
成足以保持逻辑电平恒定的最小值来将静态功率保持在最小水平。所以，可以提供具有较低功耗的高速电平转换器。前面的描述说明并描述了本发明的各个方面。并且，公开内容 仅仅示出并且描述了优选实施例，如上所述，应该理解的是，能够以 各种组合、修改和环境使用本发明，并且能够在不脱离在此表达的发 明思想的范围的情况下，结合上述指教和/或相关领域的技术知识来 对本发明做出各种变化和修改。以上描述的实施例还旨在解释实践本发明的最佳模式，并且使 本领域技术人员能够利用各个实施例中的发明以及具有本发明的特 定应用或使用所要求的各种修改的发明。所以，说明书不是将本发明限制于所公开的形式。并且，所附 权利要求应该被解释为包括替换实施例。
权利要求
1. 一种电平转换电路，用于产生其逻辑电平与输入信号的相应逻辑电平相比具有不相同的电压值的输出信号，所述电路包括切换电流发生器，其响应于输入信号的切换来产生切换电流，以便对输出信号进行切换，以及保持电流发生器，用于产生保持电流，以便根据输入信号的逻辑电平来保持输出信号的逻辑电平，保持电流发生器被配置成独立于切换电流来产生保持电流。
2. 如权利要求l所述的电平转换电路，其中，输入信号具有第一电压值下的第一逻辑电平以及第二电压值下的第二逻辑电平，输出 信号具有第三电压值下的第一逻辑电平以及第四电压值下的第二逻辑电平，其中第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值互 不相同。
3. 如权利要求2所述的电平转换电路，其中切换电流发生器包 括用于产生第一电流脉冲的第一电流脉冲发生器以及用于产生第二 电流脉冲的第二电流脉冲发生器，第一电流脉冲与第二电流脉冲极性 相反。
4. 如权利要求3所述的电平转换电路，进一步包括差分电流传 感器，其响应于第一电流脉冲和第二电流脉冲来对输出信号进行切 换。
5. 如权利要求4所述的电平转换电路，其中差分电流传感器包括响应于第一电流脉冲的第一电流镜， 响应于第二电流脉冲的第二电流镜，以及 响应于第一电流镜和第二电流镜所产生的信号的第三电流镜。
6. 如权利要求5所述的电平转换电路，其中差分电流传感器还 包括与第三电流镜相耦接的输出电流传感器，用于产生输出信号。
7. 如权利要求6所述的电平转换电路，其中输出电流传感器包 括施密特触发器。
8. 如权利要求6所述的电平转换电路，其中输出电流传感器包 括用于与电压阈值进行比较的比较电路。
9. 如权利要求3所述的电平转换电路，其中保持电流发生器被 配置成将保持电流提供给第一.电流脉冲发生器以及第二电流脉冲发 生器，以便对第一电流脉冲和第二电流脉冲之一进行放大。
10. 如权利要求6所述的电平转换电路，其中第一电流脉冲发 生器包括响应于输入信号的第一反相器以及耦接在第一反相器的输 出和第一电流镜之间的第一电容元件。
11. 如权利要求IO所述的电平转换电路，其中第二电流脉冲发 生器包括连接至第一反相器的输出的第二反相器以及耦接在第二反相器的输出和第二电流镜之间的第二电容元件。
12. 如权利要求ll所述的电平转换电路，其中第一电流脉冲发生器还包括连接在保持电流发生器和第一电流镜之间的第一开关，该 第一开关被第一反相器的输出信号所控制。
13. 如权利要求12所述的电平转换电路，其中第二电流脉冲发 生器还包括连接在保持电流发生器和第二电流镜之间的第二开关，该 第二开关被第二反相器的输出信号所控制。
14. 如权利要求13所述的电平转换电路，其中输入信号具有与第一电压值相对应的高逻辑电平以及与第二电压值相对应的低逻辑 电平，输出信号具有与第三电压值相对应的高逻辑电平以及与第四电 压值相对应的低逻辑电平。
15. 如权利要求14所述的电平转换电路，其中切换电流发生器 被提供有第一电压值和第二电压值，差分电流传感器被提供有第三电 压值和第四电压值。
16. 如权利要求15所述的电平转换电路，其中第一电压值低于 第三电压值。
17. 如权利要求16所述的电平转换电路，其中第一开关和第二 开关包括P型场效应器件。
18. 如权利要求15所述的电平转换电路，其中第一电压值高于 第三电压值。
19. 如权利要求18所述的电平转换电路，其中第一开关和第二 开关包括N型场效应器件。
20. —种电平转换方法，用于产生其逻辑电平与输入信号的相 应逻辑电平相比具有不相同的电压值的输出信号，所述方法包括以下 步骤响应于输入信号的逻辑电平中的改变来产生切换信号，以便改 变输出信号的逻辑电平，以及以独立于切换信号的方式产生保持信号，以便根据输入信号的 逻辑电平来对输出信号的逻辑电平进行保持。
21. —种用于在不共用电压轨线的电路之间传递逻辑信号的系统，该系统包括切换信号发生器，用于响应于输入信号的逻辑电平中的改变来 产生切换信号，以便改变输出信号的逻辑电平，以及保持信号发生器，用于以独立于切换信号的方式产生保持信号， 以便根据输入信号的逻辑电平来对输出信号的逻辑电平进行保持。
全文摘要
电平转换电路和方法包括切换电流发生器，其响应于输入信号的切换来产生切换电流，以便对输出信号进行切换；以及保持电流发生器，用于产生保持电流，以便根据输入信号的逻辑电平来保持输出信号的逻辑电平。保持电流被产生为独立于切换电流。
文档编号H03K19/0185GK101523725SQ200680055871
公开日2009年9月2日 申请日期2006年12月19日 优先权日2006年9月18日
发明者杰弗里·林恩·希思 申请人:凌力尔特公司