一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路的制作方法

本发明涉及电平转换电路领域，具体涉及一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路。

背景技术：

片上系统(socs)的多功能性和适应性使其对多电源设计具有吸引力，从而最大限度地降低动态功耗。因此，需要具有超低功耗和高速的电平移位器来实现不同功率之间的信号互连。

传统的交叉耦合电平转换器最初设计是为了提供完整的轨到轨输出摆幅。然而，由于强上拉网络(pun)和弱下拉网络(pdn)之间的争用，会存在较大的功耗。当电源电压接近阈值区域时，这种现象更加严重。

图1所示的是电流镜电平移位器电路结构，它消除了传统交叉耦合电平移位器中的争用问题。当输入信号“in”为高电平时，nmos器件mn1导通，nmos器件mn3截止。节点a被拉低至低电平，pmos器件mp1、mp2导通，输出节点“out”充电至高电平。此时，mn1仍然处于导通状态且没有足够的时间关闭，产生流经mn1、mp1的静态电流，导致不必要的静态功耗。

图2所示的是wilson电流镜电平移位器电路结构。这种拓扑结构在图1所示电路的基础上增加了一个pmos器件mp3，mp3器件将mp1和mn1隔离开来，防止产生短路电流而引起静态功耗。然而，当输入信号“in”为高电平时，mn1导通，mp3导通(前一时刻输出节点“out”为低电平)，mn3截止，节点a被拉低至低电平，mp1、mp2导通，输出节点“out”被充电致使mp3关断，因此镜像到mp2的电流将大大减小，致使上拉强度减弱使输出节点“out”不能被充电至vddh，存在电压降。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，解决了传统交叉耦合电平移位器中上拉网络和下拉网络在阈值区域附近的严重争用，电流镜电平移位器中的严重静态电流，以及wilson电流镜电平移位器的电压损失问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：。

一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征在于：包括反相器电路和电平转换电路，所述反相器电路包括一个pmos器件mp3和一个nmos器件mn4；所述电平转换电路包括两个pmos器件mp1～mp2和三个nmos器件mn1～mn3；

mp3的源极接供电电压vddl，mp3的漏极接mn4的漏极，mn4的源极接地；mp1、mp2的源极接供电电压vddh；mp1的漏极接mn1的漏极，mn1的源极接mn2的漏极，mn2的源极接地；mp2的漏极接mn3的漏极，mn3的源极接地；mp1、mp2的栅极相连后连接mn1的漏极后再接mn2的栅极；mp3、mn4的漏极接mn3的栅极。

前述的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征是：所述mp3、mn1、mn4的栅极作为所述电路的输入端，mp2、mn3的漏极作为所述电路的输出端。

前述的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征是：当输入信号为低电平时，mn1截止，mn3导通；由于mn1截止，mp1和mp2的栅极连接点a通过mp1充电至高电平致使mp1、mp2关断，同时mn2导通，输出节点被拉低至低电平。

前述的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征是：当输入信号为高电平时，mn1导通，mn3截止；由于mn2导通，mp1和mp2的栅极连接点a被拉至低电平，使mp1、mp2导通，电路左侧分支中的电流镜像到电路右侧，使输出节点“out”充电至高电平；同时节点a的低电平反馈到mn2的栅极使mn2关断。

前述的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征是：当输入信号为高电平时，mn2器件用于将电平移位器电路电源到地的直流电流关断。

前述的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，其特征是：所述电路中mn1、mn3、mn4、mp3为低于标准阈值电压的低阈值晶体管器件；所述mn2、mp1、mp2为标准阈值晶体管器件。

本发明所达到的有益效果：本发明通过增加单个nmos器件mn2并采用多阈值电压技术来修改传统的电流镜电平移位器。当输入信号为高电平时，mn2将电源vddh到gnd的直流通路关断，解决了传统的电流镜电平移位器中的静态电流问题，同时利用电流镜的内部结点a到mn2的信号反馈，提高了开关速度。与其他电平移位器的性能相比，本发明的电路在延迟、功耗、能耗方面进行了优化，特别是在能耗方面具有明显的性能改善。

附图说明

图1是电流镜电平移位器电路结构示意图；

图2是wilson电流镜电平移位器电路结构示意图；

图3是本发明改进的电流镜电平移位器电路结构示意图；

图4是本发明电路结构仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图3所示，一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路，包括反相器电路和电平转换电路，所述反相器电路包括一个pmos器件mp3和一个nmos器件mn4；所述电平转换电路包括两个pmos器件mp1～mp2和三个nmos器件mn1～mn3；mp3的源极接供电电压vddl，mp3的漏极接mn4的漏极，mn4的源极接地；mp1、mp2的源极接供电电压vddh；mp1的漏极接mn1的漏极，mn1的源极接mn2的漏极，mn2的源极接地；mp2的漏极接mn3的漏极，mn3的源极接地；mp1、mp2的栅极相连后连接mn1的漏极后再接mn2的栅极；mp3、mn4的漏极接mn3的栅极；mp3、mn1、mn4的栅极作为所述电路的输入端“in”，mp2、mn3的漏极作为所述电路的输出端“out”。

亚阈值电平移位器是指本发明电路的输入信号的大小低于nmos的阈值电压。

所述电路中的供电电压vddl为低于阈值电压的供电电压，供电电压vddh为高于阈值电压的供电电压。

所述电路中mn1、mn3、mn4、mp3为低于标准阈值电压的低阈值晶体管器件。

所述mn2、mp1、mp2为标准阈值晶体管器件。

标准阈值电压值nmos为0.7v，pmos为-0.8v。

为了更好说明电路工作原理，假设mp1、mp2的栅极为a节点。

本发明的一种新型的宽范围亚阈值电平移位器电路的工作原理如下：当输入信号“in”为低电平时，mn1截止，mn3导通；由于mn1截止，节点a通过mp1充电至高电平致使mp1、mp2关断，同时mn2导通，输出节点“out”被拉低至低电平。当输入信号“in”为高电平时，mn1导通，mn3截止；由于mn2导通，节点a被拉至低电平，使mp1、mp2导通，电路左侧分支中的电流镜像到电路右侧，使输出节点“out”充电至高电平；同时节点a的低电平反馈到mn2的栅极使mn2关断；mn2器件将所述电平移位器电路左侧分支中电源到地的直流电流关断，防止产生流经mp1、mn1、mn2的静态电流而引起静态功耗。

为进一步说明本发明的有益效果，本发明提出的电平移位器电路在65nmcmos工艺技术下进行仿真。所有晶体管的尺寸(宽长比：w/l)已经过优化，如表1所示。

表1晶体管尺寸

为进一步说明本发明的有益效果，本发明电路仿真在频率为1mhz，输入信号的上升和下降时间为10ps，负载电容为0.5ff下进行。图4所示的本发明电路仿真结果波形图。仿真结果表明，本发明提出的电平移位器能够将0.2v的深亚阈值电压转换为1.2v，具有较宽的电压转换范围，同时输出电压可以直接快速上升到vddh，消除了wilson电流镜电平移位器中的电压降问题。

当输入信号“in”从低电平切换到高电平时，mn3截止。电路左侧分支的电流可以快速镜像到电路右侧分支，使输出节点“out”快速充电至高电平；当输入信号“in”从高电平切换到低电平时，mn1截止，mn3导通并将输出节点“out”拉低至gnd。节点a通过mp1充电，其弱电流被镜像并放大到电路右侧分支，出现上拉网络和下拉网络的较小争用问题。结果，输出节点“out”的下降时间略大于上升时间。

为进一步说明本发明的有益效果，对所提出的电平移位器的性能参数进行测量，并与参考文献[1]-[4]中的电路结构性能进行比较，如表2所示。其中：technology是所用工艺技术，vddh是高供电电压，vddl,min是最小低供电电压，delay是延迟时间，energy是一个开关周期内的能耗，staticpower是静态功耗。

结果表明，本发明所提出的电路的开关延迟为19.89ns，总静态功耗为0.86nw，在一个开关周期内的动态能耗为29.47fj。与其他先进电平移位器(文献[1]-[4]中的性能)相比，在延迟、能耗和静态功耗方面均具有显著改进。

表2参考文献[1]-[4]中的电路结构性能比较

[1]l.wen,x.cheng,s.tian,h.wen,andx.zeng,“subthresholdlevelshifterwithself-controlledcurrentlimiterbydetectingoutputerror,”ieeetransactionsoncircuitsandsystemsii:expressbriefs,vol.63,no.4,pp.346–350,apr.2016.

[2]r.lotfi,m.saberi,s.r.hosseini,a.r.ahmadi-mehr,andr.b.staszewski,“energy-efficientwide-rangevoltagelevelshiftersreaching4.2fj/transition,”ieeesolid-statecircuitsletters,vol.1,no.2,pp.34–37,feb.2018.

[3]s.r.hosseini,m.saberi,andr.lotfi,“anenergy-efficientlevelshifterforlow-powerapplications,”inproc.2015ieeeinternationalsymposiumoncircuitsandsystems(iscas),may.2015,pp.2241–2244.

[4]v.l.leandt.t.kim,“anareaandenergyefficientultra-lowvoltagelevelshifterwithpasstransistorandreduced-swingoutputbufferin65nmcmos,”ieeetransactionsoncircuitsandsystemsii:expressbriefs,vol.65,no.5,pp.607–611,may.2018.

综上所述，本发明通过增加单个nmos器件mn2并采用多阈值电压技术来修改传统的电流镜电平移位器；当输入信号为高电平时，mn2将电源vddh到gnd的直流通路关断，解决了传统的电流镜电平移位器中的静态电流问题，同时利用电流镜的内部结点a到mn2的信号反馈，提高了开关速度。与其他电平移位器的性能相比，本发明的电路在延迟、功耗、能耗方面进行了优化，特别是在能耗方面具有明显的性能改善。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。