专利名称：一种usb信号转换接口电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及USB接口技术领域，具体涉及一种USB信号转换接口电路，该USB信号转换接口电路采用正反互连的MOS电容代替双多晶硅电容，从而可以采用标准数字工艺实 现信号转换接口，降低成本，节省面积。
背景技术：
随着电子技术的不断发展，USB已经发展成为一种接口标准，其应用也越来越广 泛。常用的USB控制芯片中，存在信号转换接口电路，其作用是将控制器输出的数字信号转 换为符合USB标准的差分的输出信号，具体来说就是要求输出信号在从低到高的转换过程 中，具有一定的转换时间，这个转换时间要满足一定的指标，同时差分信号的转换点等其它 指标也要满足一定的要求。如图1所示，图1是常规的USB的输出接口电路的示意图。其中VB 1为M7管提 供偏置电压，提供上拉电流，VB2为M2管提供偏置电压，提供下拉电流，由控制器输出的控 制信号Vin经过两相不交叠时钟产生电路产生同相信号Vinp和反向信号Virm，Vinpl和 Vinp2由信号Vinp信号产生，因此与信号Vin同相，Virml和Virm2由信号Virm信号反向 后产生，因此与信号Vin同相，并且Vinpl、Vinp2和Vinnl、Vinn2存在一定的延时。当信号由高变低时，晶体管M6开启，上面传输门TRl开启，此时晶体管MO栅电压 逐渐升高，MO逐渐开启，输出信号逐渐降低，此时由于电容的存在，使得输出信号缓慢降低。当信号由低变高时，晶体管M3开启，下面传输门TR2开启，此时晶体管MO栅电压 逐渐降低，Ml逐渐开启，输出信号逐渐升高，此时由于电容的存在，使得输出信号缓慢升高。此电路中电容是很关键的元件，在输出电压从低到高和从高到低的变化中，稳定 的电容值决定了输出信号是否能满足USB标准，常规电路中需要用到双多晶硅电容，从而 很好的达到设计标准。而采用双多晶硅电容，有很多不利因素，一方面增大了面积，另一方 面因为这一小部分电路而造成整个USB控制芯片都要采用混合信号工艺实现，增加了工艺 和生产成本。本发明的目的是设计一种新的电路结构，不仅能满足USB的标准要求，同时可以 采用标准全数字工艺实现整个芯片，大大降低芯片成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种USB信号转换接口电路，以满足USB的 标准要求，并采用标准全数字工艺实现信号转换接口电路，降低芯片成本。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种USB信号转换接口电路，该电路包括上拉 场效应晶体管M7、下拉场效应晶体管M2、第三开关场效应晶体管M3、第四开关场效应晶体 管M4、第五开关场效应晶体管M5、第六开关场效应晶体管M6、第一传输门TR1、第二传输门TR2、第一输出驱动场效应晶体管M0、第二输出驱动场效应晶体管Ml、第八场效应晶体管M8和第九场效应晶体管M9，其中，第八场效应晶体管M8和第九场效应晶体管M9正反互连作为 电容，能够产生相对稳定的电容值。上述方案中，所述第八场效应晶体管M8和第九场效应晶体管M9是增强型场效应 晶体管，或者是耗尽型场效应晶体管；所述第八场效应晶体管M8的漏极、源极和衬底相连 接，并与第九场效应晶体管M9的栅极相连接，第九场效应晶体管M9的漏极、源极和衬底相 连接，并与第八场效应晶体管M8的栅极相连接；第八场效应晶体管M8的栅极与第一传输门 TRl和第二传输门TR2的Z端相连接，第九场效应晶体管M9的栅极与第二输出驱动场效应 晶体管Ml的漏极相连接。上述方案中，所述上拉场效应晶体管M7为PMOS管，第五开关场效应晶体管M5为 NMOS管，第六开关场效应晶体管M6为PMOS管，上拉场效应晶体管M7提供上拉电流。上述方案中，所述上拉场效应晶体管M7的源极和衬底接电源，漏极接第六开关场 效应晶体管M6的源极，栅极接偏置电压VB1，第六开关场效应晶体管M6的衬底接电源，漏极 接第五开关场效应晶体管M5的漏极，栅极接控制信号Vinp2，第五开关场效应晶体管M5的 源极和衬底接地，栅极接控制信号Vinpl。上述方案中，所述下拉场效应晶体管M2为NMOS管，第三开关场效应晶体管M3为 NMOS管，第四开关场效应晶体管M4为PMOS管，下拉场效应晶体管M2提供下拉电流。上述方案中，所述下拉场效应晶体管M2的源极和衬底接地，漏极接第三开关场效 应晶体管M3的源极，栅极接偏置电压VB2，第三开关场效应晶体管M3的衬底接地，漏极接第 四开关场效应晶体管M4的漏极，栅极接控制信号Virm2，第四开关场效应晶体管M4的源极 和衬底接电源，栅极接控制信号Virml。上述方案中，所述第一输出驱动场效应晶体管MO为输出信号提供下拉电流，第二 输出驱动场效应晶体管Ml为输出信号提供上拉电流，第二输出驱动场效应晶体管Ml的源 极和衬底接电源，漏极接第一输出驱动场效应晶体管MO的漏极，第一输出驱动场效应晶体 管MO的源极和衬底接地。上述方案中，所述上拉场效应晶体管M7的栅极接第一偏置电压VB1，所述下拉场 效应晶体管M2的栅极接第二偏置电压VB2，由控制器输出的控制信号生成Virml和Vinpl， Vinnl和Vinpl相差一个小的延时，确保第一输出驱动场效应晶体管MO和第二输出驱动场 效应晶体管Ml不同时开启和关断。上述方案中，所述Vinpl两级反向后产生Vinp2，确保第五开关场效应晶体管M5 和第六开关场效应晶体管M6不同时开启或关断；所述Virml四级反向后产生Virm2，确 保第三开关场效应晶体管M3和第四开关场效应晶体管M4不同时开启或关断；Vinpl-和 Vinnl-分别为Vinpl和Vinnl的反向信号。上述方案中，所述第一传输门TRl的I端接第六开关场效应晶体管M6的漏极，并 与第一输出驱动场效应晶体管MO的栅极相连接；所述第二传输门TR2的I端接第四开关场 效应晶体管M4的漏极，并与第二输出驱动场效应晶体管Ml的栅极相连接；所述第一传输门 TRl的Z端和所述第二传输门TR2的Z端短接。(三)有益效果本发明的优点在于
1、本发明提供的这种USB信号转换接口电路，采用正反相连的MOS电容代替电容， 从而使信号转换电路可以使用CMOS标准数字工艺实现。2、本发明提供的这种USB信号转换接口电路，在满足USB接口的标准要求的情况 下，可以省去P0LY2层，从而可以采用全数字工艺实现整个电路，因而可以大大减少成本， 同时，大大减小了面积。3、本发明提供的这种USB信号转换接口电路，可以使整个USB控制芯片采用CMOS 标准数字工艺实现，成本低。4、本发明提供的这种USB信号转换接口电路，可以采用较低成本的CMOS工艺实 现，容易片上集成，具有很高的实用价值。
图1是常规的USB的输出接口电路的示意图；图2是本发明提供的USB信号转换接口电路的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的USB信号转换接口电路，采用正反互联的PMOS管替代电容，并通过 适当的偏置电压的设置，实现信号转换功能，可以用标准数字工艺实现接口电路，从而保证 整个芯片可以采用数字工艺实现。如图2所示，图2是本发明提供的USB信号转换接口电路的示意图，该电路包括 上拉场效应晶体管M7、下拉场效应晶体管M2、第三开关场效应晶体管M3、第四开关场效应 晶体管M4、第五开关场效应晶体管M5、第六开关场效应晶体管M6、第一传输门TR1、第二传 输门TR2、第一输出驱动场效应晶体管M0、第二输出驱动场效应晶体管Ml、第八场效应晶体 管M8和第九场效应晶体管M9，其中，第八场效应晶体管M8和第九场效应晶体管M9正反互 连作为电容，能够产生相对稳定的电容值。第八场效应晶体管M8和第九场效应晶体管M9是增强型场效应晶体管，或者是耗 尽型场效应晶体管；所述第八场效应晶体管M8的漏极、源极和衬底相连接，并与第九场效 应晶体管M9的栅极相连接，第九场效应晶体管M9的漏极、源极和衬底相连接，并与第八场 效应晶体管M8的栅极相连接；第八场效应晶体管M8的栅极与第一传输门TRl和第二传输 门TR2的Z端相连接，第九场效应晶体管M9的栅极与第二输出驱动场效应晶体管Ml的漏 极相连接。上拉场效应晶体管M7为PMOS管，第五开关场效应晶体管M5为NMOS管，第六开关 场效应晶体管M6为PMOS管，上拉场效应晶体管M7提供上拉电流。上拉场效应晶体管M7的源极和衬底接电源，漏极接第六开关场效应晶体管M6的源极，栅极接偏置电压VBl，第六开关场效应晶体管M6的衬底接电源，漏极接第五开关场效 应晶体管M5的漏极，栅极接控制信号Vinp2，第五开关场效应晶体管M5的源极和衬底接地， 栅极接控制信号Vinpl。下拉场效应晶体管M2为NMOS管，第三开关场效应晶体管M3为NMOS管，第四开关场效应晶体管M4为PMOS管，下拉场效应晶体管M2提供下拉电流。下拉场效应晶体管M2 的源极和衬底接地，漏极接第三开关场效应晶体管M3的源极，栅极接偏置电压VB2，第三开 关场效应晶体管M3的衬底接地，漏极接第四开关场效应晶体管M4的漏极，栅极接控制信号 Virm2，第四开关场效应晶体管M4的源极和衬底接电源，栅极接控制信号Virml。第一输出驱动场效应晶体管MO为输出信号提供下拉电流，第二输出驱动场效应 晶体管Ml为输出信号提供上拉电流，第二输出驱动场效应晶体管Ml的源极和衬底接电源， 漏极接第一输出驱动场效应晶体管MO的漏极，第一输出驱动场效应晶体管MO的源极和衬 底接地。
上拉场效应晶体管M7的栅极接第一偏置电压VBl，所述下拉场效应晶体管M2的栅 极接第二偏置电压VB2，由控制器输出的控制信号生成Virml和Vinpl，Vinnl和Vinpl相 差一个小的延时，确保第一输出驱动场效应晶体管MO和第二输出驱动场效应晶体管Ml不 同时开启和关断。Vinpl两级反向后产生Vinp2，确保第五开关场效应晶体管M5和第六开关场效应 晶体管M6不同时开启或关断；所述Virml四级反向后产生Virm2，确保第三开关场效应晶 体管M3和第四开关场效应晶体管M4不同时开启或关断；Vinpl-和Virml-分别为Vinpl和 Vinnl的反向信号。第一传输门TRl的I端接第六开关场效应晶体管M6的漏极，并与第一输出驱动场 效应晶体管MO的栅极相连接；所述第二传输门TR2的I端接第四开关场效应晶体管M4的 漏极，并与第二输出驱动场效应晶体管Ml的栅极相连接；所述第一传输门TRl的Z端和所 述第二传输门TR2的Z端短接。再参照图2，本发明的电路结构采用标准CMOS数字工艺。PMOS管Ml为输出信号 提供上拉电流，NMOS管MO为输出信号提供下拉电流，这两个MOS管的管子尺寸，可根据输 出负载的要求设计，提供足够的驱动。PMOS管M4和NMOS管M3为开关管，NMOS管M2提供 下拉电流，PMOS管M6和匪OS管M5为开关管，PMOS管M7提供上拉电流。VBl和VB2为偏 置电压，由控制器输出的控制信号生成Virml和Vinpl，Virml和Vinpl相差一个小的延时， 确保输出级PMOS管Ml和NMOS管MO不同时开启和关断。Vinp 1两级反向后产生Vinp2，确 保PMOS管M6和NMOS管M5不同时开启或关断。Vinnl四级反向后产生Vinn2，确保PMOS 管M4和NMOS管M3不同时开启或关断，Vinpl-和Vinnl-分别为Vinpl和Vinnl的反向信 号。当控制信号由高变低时，Vinnl和Vinn2由高变低，PMOS管M4开启，NMOS管M3关 断，传输门TR2关断，因此PMOS管Ml的栅极变为Vdd，将PMOS管Ml关断，Vinpl和Vinp2 由高变低，PMOS管M6开启，匪OS管M5关断，传输门TRl开启，由于PMOS管M7的漏源电压 差大于栅源电压与阈值之差(IVds7I > ι Ves7-V1J )，PM0S管M7处于饱和区，NMOS管MO的栅 极缓慢升高，此时NMOS管MO没有完全开启，所以输出电压即MO的漏极电压缓慢下降。当 PMOS管M7的漏源电压差小于栅源电压与阈值之差(|VDS7| < |Ves7-VTH7|)，PMOS管M7进入 线性区，NMOS管MO的栅极快速上升，此时NMOS管MO进入完全开启，输出端下拉电流增大， 但由于输出端与NMOS管MO的栅极存在一个电容，所以输出的电压受到MO的栅极快速上升 的牵制，因此仍然以比较缓慢的速度下降，直至下降到地电平。因此在信号由高到低的转换 过程中，输出信号存在一定的由高到低的转换时间，满足USB输出信号标准。
当信号从低到高转换时，Vinpl和Vinp2由低变高，NMOS管M5开启，PMOS管M6关断，传输门TRl关断，因此匪OS管MO的栅极变为地。将匪OS管MO关断，Vinnl和Vinn2 由低变高，PMOS管M4关断，NMOS管M3开启，传输门TR2开启，由于NMOS管M2的漏源电压 差大于栅源电压与阈值之差(IVds2I > ι Ves2-V1J )，NM0S管M2处于饱和区，PMOS管Ml的栅 极缓慢降低，此时PMOS管Ml没有完全开启，所以输出电压即Ml的漏极电压缓慢上升。当 NMOS管M2的漏源电压差小于栅源电压与阈值之差(I Vds2 I < I Vgs2-Vth2 |)，PMOS管M2进入 线性区，PMOS管Ml的栅极快速下降，此时PMOS管Ml进入完全开启，输出端上拉电流增大， 但由于输出端与PMOS管Ml的栅极存在一个电容，所以输出电压的上升受到Ml的栅极快速 下降的牵制，因此仍然以比较缓慢的速度上升，直至电源电压。因此在信号由低到高的转换 过程中，输出信号存在一定的由低到高的转换时间，满足USB输出信号标准。以上是本发明的信号转换电路的具体实施和工作原理，设计时需要根据模拟仿真 具体设计电路中各种晶体管的尺寸，偏置电压VBl和VB2采用常用各种偏置电压产生方法 均可，根据模拟仿真设置具体电压值，控制信号Vinp 1、Vinp2和Virml、Virm2可采用两相 不交叠时钟产生电路等各种能产生信号延时的方法实现。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种USB信号转换接口电路，该电路包括上拉场效应晶体管(M7)、下拉场效应晶体管(M2)、第三开关场效应晶体管(M3)、第四开关场效应晶体管(M4)、第五开关场效应晶体管(M5)、第六开关场效应晶体管(M6)、第一传输门(TR1)、第二传输门(TR2)、第一输出驱动场效应晶体管(M0)、第二输出驱动场效应晶体管(M1)、第八场效应晶体管(M8)和第九场效应晶体管(M9)，其中，第八场效应晶体管(M8)和第九场效应晶体管(M9)正反互连作为电容，能够产生相对稳定的电容值。
2.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述第八场效应晶体管 (M8)和第九场效应晶体管(M9)是增强型场效应晶体管，或者是耗尽型场效应晶体管；所述第八场效应晶体管(M8)的漏极、源极和衬底相连接，并与第九场效应晶体管(M9) 的栅极相连接，第九场效应晶体管(M9)的漏极、源极和衬底相连接，并与第八场效应晶体 管(M8)的栅极相连接；第八场效应晶体管(M8)的栅极与第一传输门(TRl)和第二传输门 (TR2)的Z端相连接，第九场效应晶体管(M9)的栅极与第二输出驱动场效应晶体管(Ml)的 漏极相连接。
3.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述上拉场效应晶体管 (M7)为PMOS管，第五开关场效应晶体管(M5)为NMOS管，第六开关场效应晶体管(M6)为 PMOS管，上拉场效应晶体管(M7)提供上拉电流。
4.根据权利要求3所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述上拉场效应晶体 管(M7)的源极和衬底接电源，漏极接第六开关场效应晶体管(M6)的源极，栅极接偏置电压 VB1，第六开关场效应晶体管(M6)的衬底接电源，漏极接第五开关场效应晶体管(M5)的漏 极，栅极接控制信号Vinp2，第五开关场效应晶体管(M5)的源极和衬底接地，栅极接控制信 号 Vinpl。
5.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述下拉场效应晶体管 (M2)为NMOS管，第三开关场效应晶体管(M3)为NMOS管，第四开关场效应晶体管(M4)为 PMOS管，下拉场效应晶体管(M2)提供下拉电流。
6.根据权利要求5所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述下拉场效应晶体管 (M2)的源极和衬底接地，漏极接第三开关场效应晶体管(M3)的源极，栅极接偏置电压VB2， 第三开关场效应晶体管(M3)的衬底接地，漏极接第四开关场效应晶体管(M4)的漏极，栅 极接控制信号Virm2，第四开关场效应晶体管(M4)的源极和衬底接电源，栅极接控制信号 Vinnl0
7.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述第一输出驱动场效 应晶体管(MO)为输出信号提供下拉电流，第二输出驱动场效应晶体管(Ml)为输出信号提 供上拉电流，第二输出驱动场效应晶体管(Ml)的源极和衬底接电源，漏极接第一输出驱动 场效应晶体管(MO)的漏极，第一输出驱动场效应晶体管(MO)的源极和衬底接地。
8.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述上拉场效应晶体 管(M7)的栅极接第一偏置电压(VBl)，所述下拉场效应晶体管(M2)的栅极接第二偏置电压 (VB2)，由控制器输出的控制信号生成Virml和Vinpl，Vinnl和Vinpl相差一个小的延时， 确保第一输出驱动场效应晶体管(MO)和第二输出驱动场效应晶体管(Ml)不同时开启和关 断。
9.根据权利要求8所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述Vinpl两级反向后产生Vinp2，确保第五开关场效应晶体管(M5)和第六开关场效 应晶体管(M6)不同时开启或关断；所述Virml四级反向后产生Virm2，确保第三开关场效应晶体管(M3)和第四开关场效 应晶体管(M4)不同时开启或关断；Vinpl-和Vinnl-分别为Vinpl和Vinnl的反向信号。
10.根据权利要求1所述的USB信号转换接口电路，其特征在于，所述第一传输门 (TRl)的I端接第六开关场效应晶体管(M6)的漏极，并与第一输出驱动场效应晶体管(MO) 的栅极相连接；所述第二传输门(TR2)的I端接第四开关场效应晶体管(M4)的漏极，并与第二输出驱 动场效应晶体管(Ml)的栅极相连接；所述第一传输门(TRl)的Z端和所述第二传输门(TR2)的Z端短接。
全文摘要
本发明公开了一种USB信号转换接口电路，包括上拉场效应晶体管(M7)、下拉场效应晶体管(M2)、第三开关场效应晶体管(M3)、第四开关场效应晶体管(M4)、第五开关场效应晶体管(M5)、第六开关场效应晶体管(M6)、第一传输门(TR1)、第二传输门(TR2)、第一输出驱动场效应晶体管(M0)、第二输出驱动场效应晶体管(M1)、第八场效应晶体管(M8)和第九场效应晶体管(M9)，第八场效应晶体管(M8)和第九场效应晶体管(M9)正反互连作为电容，能够产生相对稳定的电容值。利用本发明，使信号转换电路可以使用CMOS标准数字工艺实现，在满足USB接口标准要求的情况下，省去POLY2层，减少成本和面积。
文档编号G06F13/38GK101826065SQ20091007886
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者杜波, 范涛, 袁国顺 申请人:中国科学院微电子研究所