电平移位器的制作方法

各个方面涉及电平移位器电路。更特别地，各个方面涉及集成在集成电路中的电平移位器电路。

背景技术：

电平移位器电路用于将来自具有第一供给电压的集成电路的第一区域的信号传输至具有第二供给电压的集成电路的第二区域。由于使用集成电路的许多装置是通过电池来供电的，因此这些装置的电力消耗以及这些集成电路的电力消耗是非常重要的参数。此外，由于对运行在这些装置上的应用的需求越来越高，因此速度也是重要参数。

us7,511,553涉及电平移位器。输入级包括用于电平移位器的输出级的放电开关的电流镜。

us7,474,138涉及电平移位器。电路包括两个互补的输入级。各输入级包括由输入信号和输出信号所控制的电流源。这两个输入级控制两个交叉耦合的反相器，各输入级控制其中一个反相器。控制效果之一是电流源所提供的电流被复制到输出级。

技术实现要素：

优选提供针对速度、电压电平被转换的范围和/或电力消耗性能有所改进的电平移位器。

第一方面提供了一种电平移位器，包括输入支路，其中，所述输入支路被配置为设置在第一供给节点和第二供给节点之间，在所述第一供给节点和所述第二供给节点之间具有第一电压电平，所述第一供给节点具有比所述第二供给节点更高的电位。所述输入支路包括串联连接的如下部件：电流源，其具有用于接收第一输入信号的第一控制输入和用于接收所述电平移位器的输出信号的第二控制输入；第一电压钳位单元，其包括第一钳位端子和第二钳位端子，并且用于在所述第一钳位端子和所述第二钳位端子之间提供第一钳位电压；以及第一开关，其具有用于接收第二输入信号的第三控制输入。所述电平移位器还包括与所述输入支路并联设置的输出支路，所述输出支路包括串联连接的如下部件：第二开关，其具有第一极性，并且包括连接至所述第一钳位端子的第一输出控制输入；以及第三开关，其具有第二极性，并且包括连接至所述第二钳位端子的第二输出控制输入。在所述第二开关和所述第三开关之间，设置用于提供所述输出信号的输出端子。

通过在第二开关和第三开关的切换控制端子之间设置电压钳位单元，降低了节点在切换期间的电压摆动。这使得进行更快的切换。电流源通过提供通过电压钳位单元的电流并且通过驱动用于控制第二开关和第三开关的切换的电流而有助于进行更快的切换。

第一方面的实施例包括第二电压钳位单元，所述第二电压钳位单元用于提供第二钳位电压，使得所述第一电压钳位单元和所述第二电压钳位单元设置在所述第一输出控制输入和所述第二输出控制输入之间。

该实施例的优点在于：甚至进一步降低了第二开关和第三开关的切换控制端子之间的电压摆动。这对于输入和输出的供给电压的差较大的情况是特别有利的。

第一方面的另一实施例包括：第四开关，其与所述第二电压钳位单元并联设置，其中，所述开关包括用于接收第三控制信号的第三控制输入。

该实施例提供了所提供的钳位电压的灵活性。如果输入端、输出端或这两端处的供给电压在操作期间变化，或者对于电平移位器要用于广范围的输入电压电平或输出电压电平的情况，则可以相应地调节电平移位器的特性以确保最佳结构中的操作。

第一方面的又一实施例包括：第五开关，其与所述第一钳位单元和所述第一开关并联设置，其中，所述第五开关具有用于接收第二控制信号的第四控制输入。

第五开关有助于第二开关的更快切换，从而能够进行电路的更快操作。

第一方面的又一实施例包括反相器电路，所述反相器电路具有反相器输入和反相器输出，所述反相器被配置为设置在第三供给节点和所述第二供给节点之间，在所述第三供给节点和所述第二供给节点之间具有第二供给电压，所述第三供给节点的电位低于所述第一供给节点的电位并且高于所述第二供给节点的电位，其中，所述反相器电路连接至所述电平移位器，使得所述第一控制输入连接至所述反相器输出并且所述第三控制输入连接至所述反相器输入。

反相器向电平移位器提供控制信号，以便于对实际的电平移位器进行简单设计。

第二方面包括：第一电路区域，其包括被配置为在第二供给电压和第三供给电圧之间工作的第一电路；第二电路区域，其包括配置为在第二供给电圧和第一供给电圧之间工作的第二电路；以及根据第一方面的又一实施例的电平移位器，所述反相器输入连接至所述第一电路区域中所设置的第一电路，并且所述输出端子连接至所述第二电路区域中所设置的第二电路。

第三方面提供计算机可读介质，其包括电路的电子表示，其中，所述电路包括根据第一方面的电平移位器。

附图说明

现在，将结合附图来讨论各个方面及其实施例。在附图中：

图1示出电平移位器电路的示意性表示；

图2示出集成电路的示意性表示；

图3示出电平移位器的电路图；

图4示出另一电平移位器的电路图；以及

图5示出包括表示电平移位器的库单元的电子表示的计算机可读介质。

具体实施方式

图1示出电平移位器电路100的示意性表示。电平移位器电路包括输入支路102和输出支路104。在具有第一电压电平的第一供给节点vddh和具有第二电压电平的第二供给节点vss之间，以彼此并联方式设置输入支路102和输出支路104。第二电平电压优选为地电平或接地。

输入支路102包括可控电流源110、具有第一端子122和第二端子124的电压钳位单元120、以及第一开关130。输出支路104包括以串联方式设置的第二开关140和第三开关150。针对第二支路104，在第二开关140和第三开关150之间设置输出端子160，以提供输出信号。

通过输出信号和输入信号来控制电流源110。输出信号和输入信号对可控电流源110的电流进行控制，以使得：如果这两个信号具有相反的逻辑电平，则电流源不提供电流。

通过输入信号来控制第一开关130。在本实施例中，对第一开关130进行控制，以使得：如果输入信号具有逻辑高电平，则该开关闭合，以及如果输入信号具有逻辑低电平，则该开关打开。在另一实施例中，采用相反方式。

在本实施例中，在可控电流源110和第一开关130之间设置电压钳位单元120。电压钳位单元120被配置成两端具有大体上不依赖于通过装置的电流的预定电压。可以利用齐纳二极管(zenerdiode)来设置这些装置，但是同样可以使用其它物理电路组件。

第二开关140和第三开关150具有相反的极性类型。这意味着，如果通过具有逻辑低电平的同一种信号来控制这两个开关，则一个开关打开并且另一开关闭合，并且也可以采用相反方式。在本实施例中，如果向第二开关140提供的控制信号为低，则第二开关140闭合，并且如果向第三开关150提供的控制信号为低，则第三开关150打开。第二开关140的控制输入连接至电压钳位单元120的第一端子122，并且第三开关160的控制输入连接至电压钳位单元140的第二端子124。确定电压钳位单元120两端的电压，以使得：在稳定状态下，第二供给节点与第一端子122之间的电压电平以及第二供给节点与第二端子124之间的电压电平构成相同的逻辑值。

图2示出包括采用第一供给电压的第一区域210和采用第二供给电压的第二区域220的集成电路200。第一供给电压低于第二供给电压。对于第一区域210和第二区域220之间的通信，采用第一电平移位器100和第二电平移位器100'。第一电平移位器100将来自的第一区域210的信号通信至第二区域220，以及第二电平移位器100'将来自第二区域220的信号通信至第一区域210。因此，第一电平移位器100将所通信信号的电平例如从0.9伏转变成1.8伏，以及第二电平移位器100'将所通信信号的电平从1.8伏转变成0.9伏。同样，可以设想其它电压电平。第一区域210和第二区域220可以共用公共的地电平。

可以如图1所示来实现第一电平移位器100，以将来自第一区域210的信号(较低电压)转换成适合第二区域220处理的信号(较高电压)。这里所讨论的各个方面及其实施例涉及第一电平移位器100及等效装置。

图3示出作为第一方面的实施例的电平移位器300。电平移位器300包括输出支路304、输入支路302和控制支路306。输入支路302包括作为第一开关的nmos晶体管mn3、用作电压钳位装置的具有栅极和漏极切断的pmos晶体管mp3、以及用作电流镜结构中的可控电流源的pmos晶体管mp2。将nmos晶体管mn3的栅极设置为用于接收输入信号的第一输入端子。

输出支路304包括与nmos晶体管mn4串联连接的pmos晶体管mp4。pmos晶体管mp4和nmos晶体管mn4这两者主要用作互补开关。pmos晶体管mp4的栅极连接至pmos晶体管mp3的源极，并且nmos晶体管mn4的栅极连接至pmos晶体管mp3的漏极和栅极。

用作可控电流源的pmos晶体管mp2的栅极连接至pmos晶体管mp1的栅极和漏极，从而构成电流镜。在控制支路306中，通过既彼此串联连接又与pmos晶体管mp1串联连接的nmos晶体管mn1和nmos晶体管mn2来控制通过电流镜的电流。因而，可以通过nmos晶体管mn1和nmos晶体管mn2，来接通和切断电流镜所提供的电流。

将nmos晶体管mn1的栅极设置为馈送输入信号的补充的第二输入端子。因此，如果向第一输入提供高信号，则向第二提供低信号。可以利用反相器电路308来建立输入信号的反相。可以将反相器电路308与电平移位器300一起设置为一个电路或者设置为单独的电路。

注意，在施加较高供给电压的两个供给节点之间设置输入支路302、输出支路304和控制支路306。在施加较低供给电压的另两个供给节点之间设置反相器电路308。因而，在较低电压域中提供输入信号。

在稳定状态下，输出信号具有与输入信号的电平相同的电平。现在，首先将说明输入信号从高转变成低的情况下的电平移位器300的功能。向nmos晶体管mn1和nmos晶体管mn2这两者提供高信号。由于电路延迟，使得向nmos晶体管mn2提供的输出信号仍然为高。这使得控制支路306闭合，并且使得电流通过pmos晶体管mp1。该电流在输入支路302中被镜像。由于在栅极所提供的低信号而导致nmos晶体管mn3断开，因此流过pmos晶体管mp2和pmos晶体管mp3的镜像电流将会使pmos晶体管mp4和nmos晶体管mn4的栅极快速上拉。

因而，强制通过pmos晶体管mnp2的电流提供对pmos晶体管mp4和nmos晶体管mn4的栅极的快速充电或放电。二极管连接pmos晶体管mp3使pmos晶体管mp4的栅极的电压升高。这样导致更快地切断pmos晶体管mp4。此外，这样提高了电平移位器300的速度，并且降低了电力消耗。

随着进入稳定状态，在pmos晶体管mp4和nmos晶体管mn4的栅极被上拉的情况下，输出被拉至地电平，并且变低。因而，nmos晶体管mn2上的信号变低，并且控制支路306中的电流被切断。反过来，这使得输入支路302的电流切断。将输出支路304设置为cmos反相器，由于这个原因，在稳定状态下没有电流流过输出支路304。

在从低转变成高时，nmos晶体管mn1的栅极上的信号为低，并且nmos晶体管mn1被切断。因而，电流既不流过控制支路306也不流过pmos晶体管mp2。nmos晶体管mn3接通，从而导致pmos晶体管mp4和nmos晶体管mn4被下拉。这使nmos晶体管mn4切断并且使pmos晶体管mp4接通。结果，输出被上拉至vddh的电平。

由于二极管连接pmos晶体管mp3，因而降低了pmos晶体管mp3的漏极端子以及nmos晶体管mn4的栅极端子的电压摆动。这使得与没有pmos晶体管mp3的情况相比、nmos晶体管mn4更快地切断。

图4示出作为第一方面的另一实施例的另一电平移位器400。电平移位器400包括输出支路404、输入支路402和控制支路406。可以将该另一电平移位器400与反相器电路408一起设置。与图3所描绘的电平移位器300相比，该另一电平移位器400包括附加组件。

首先，利用与pmos晶体管mp3串联连接的pmos晶体管mp5设置了附加的电压钳位装置。通过设置该附加的电压钳位装置，降低了输入从高进入低的情况下的nmos晶体管mn4的栅极处的电压摆动以及输入从低进入高的情况下的pmos晶体管mp4的栅极处的电压摆动。反过来，这带来更快的切换以及切换期间的更少电力消耗。

与pmos晶体管mp5并联地设置可选的nmos晶体管mn6。nmos晶体管mn6的栅极设置有用于提供控制信号的控制端子。因而，pmos晶体管mp3和pmos晶体管mp5所提供的总钳位电压是可选择的，从而使得电平移位器400相对于较低和较高的供给电压是灵活的。

电平移位器400还设置有源极接地的nmos晶体管mn5。nmos晶体管mn5的栅极连接至nmos晶体管mn3的栅极，因而可被提供输入信号。nmos晶体管mn5的漏极连接至pmos晶体管mp4的栅极。

在输入信号从低改变成高时接通nmos晶体管mn5。这导致将pmos晶体管mp4的栅极更快地下拉。这导致输出更快地转变至vddh。可以将nmos晶体管mn5与pmos晶体管mp5设置在一起作为附加钳位装置，或者可以将nmos晶体管mn5和pmos晶体管mp5分开设置。同样，可以将pmos晶体管mp5和nmos晶体管mn5设置在一起，或者将pmos晶体管mp5和nmos晶体管mn5分开设置。

除非另外说明，否则如本实施例中所述的晶体管是增强型mos晶体管。以nmos和pmos这两种极性来指定具有特定特性的晶体管。除非另外说明，否则可以使用结合实施例所述的极性类型以外的其它极性类型来实现这些电路。同样，可以使用其它切换装置来替换进行切换的功能的晶体管。可以是其它类型的晶体管或者其它类型的开关。同样地，与具有一种极性相似的如图3或图4所描绘的晶体管所提供的功能也可以如电流镜那样实现为具有另一种极性。这可以使用镜连接至地电平的nmos晶体管来实现。

优选地，在集成半导体电路中嵌入上述的第一方面的各种实施例。参考图5，为了设计这种电路，可以在连接有反相器电路或者没有连接反相器电路的情况下，将电平移位器设置在库单元510中。库单元510是物理可植入电平移位器的数字化或电子表示。可以在过渡或非过渡的计算机可读介质500上设置该电子表示。可以通过用于使库单元适应集成电路的更大型设计的计算机来读取该电子表示。

总之，电平移位器被呈现为包括输入支路和输出支路。输入支路包括串联连接的第一开关、电压钳位单元和可控电流源。输出支路包括串联连接的第二开关和第三开关，其中第二开关和第三开关具有相反极性。在第二开关和第三开关之间设置输出。通过输入信号和输出信号来控制电流源。通过输入信号来控制第一开关。在钳位单元的任一侧上，连接有第二开关和第三开关的切换控制端子。这降低了切换控制单元的电压摆动，从而使得快速切换。输入支路仅在电平转变期间引出电流，从而使得能够在电平移位器的稳定状态下进行快速切换并且节省电力。

诸如“构成”、“包括”、“并入”、“包含”、“是”和“具有”等的表达在解释说明书及其关联的权利要求书时以非排他方式理解，即被理解成还允许存在没有明确定义的其它项或组件。单数的引用还可以被理解成复数的引用，反之亦然。

在上述说明中，应当理解，在将诸如层、区域或基板等的元件或者系统的组件称为“在另一元件上”、“到另一元件上”或者“连接至另一元件”的情况下，该元件是直接置于另一元件上或连接至另一元件，或者还可以存在介入元件。

此外，本发明还可以利用比这里所述的实施例中所设置的组件更少的组件来实现，其中一个组件执行多个功能。同样，本发明也可以使用比附图描述的元件更多的元件来实现，其中，通过所提供的实施例中的一个组件所执行的功能可以分配到多个组件上。

本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的范围的情况下，对说明书中所公开的各种参数进行修改，并且可以将所公开和/或所请求的各种实施例进行组合。

规定如下：权利要求书中的附图标记不会限制权利要求的范围，而插入附图标记仅是为了提高权利要求书的易读性。