一种适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路

本发明属于模拟集成电路设计，具体涉及一种适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路。

背景技术：

1、随着cmos集成电路工艺的不断改进，晶体管的特征尺寸不断减小，集成电路的体积也不断减小，低功耗cmos电路系统的设计已成为集成电路设计的重要趋势。

2、近年来，多电源电压域技术是降低功耗的一种有效方法，即在一个电路系统中使用多个电压源。此外，在新一代电子电路的设计中，低压逻辑电路的应用常常会出现电路系统中输入和输出逻辑不一致的情况。当两个不同电源电压的电路级联时，需要解决电平转换的问题。而电平移位器作为不同电压域之间的传输桥梁，被广泛用于将控制逻辑、输入信号等的电位从低电压域转移到高电压域。

3、电平移位器可将信号电压从一个电压域转换到另一个电压域。从低电压域到高电压域必须使用电平移位器，因为低电压域的vddl(低电压)对于高电压域来说是一个介于vddh(高电压)和vss(电路公共接地端电压)之间的一个不确定值，这会造成高电压域的输入电压不确定性。

4、在有多个电源电压的系统里，电平移位电路的作用是实现具有不同电源电压范围的控制信号的转换，即在低电源电压控制信号与高电源电压控制信号之间进行转换，能为后级电路提供更高的电源电压或者提供更高的驱动能力。电平移位电路作为链接控制电路与输出驱动级的关键电路，其性能会直接影响整个系统的许多性能。传统电平移位电路在速度、输入范围、功耗、稳定性、面积等方面不能实现很好的综合平衡，通常仅针对某一种性能优化。普遍存在初始状态不定、转换速度慢、适用电压域窄、电路结构复杂等问题。

5、经过检索，申请公开号cn115708319a，宽电压范围电平移位器电路。电平移位器电路将数字信号在第一电压电平与第二电压电平之间进行移位。对于低电平到高电平转变，使用由处于该第一电压电平的该数字信号激活的第一nmos晶体管接通输出pmos晶体管，并同时关断第二nmos晶体管以使该输出pmos晶体管与地电位解耦，并且关断第三nmos晶体管以使电流镜电路与地电位解耦。对于高电平到低电平转变，使用该电流镜电路的输出关断该输出pmos晶体管，并且接通第四nmos晶体管。当该输出pmos晶体管的漏极接近地电位的电压电平时，使用该数字信号的反相型式接通第二nmos晶体管，并且使用第五nmos晶体管关断电流镜电路中的电流。

6、缺陷与不足：该专利是通过直接将处于第一电压电平的晶体管和主电路直接相连，通过改变处于第一电压电平的晶体管的关断来影响后面电路中晶体管的关断，从而进一步改变输出电压，这种结构可虽然以做到输入的宽范围，但当信号速率切换变快时，转换的输出信号会容易发生失真，且不能输出两路逻辑相反的信号；该专利所述第一组数字电路由处于第一电压电平的第一电压源供电，第二组数字电路由处于与所述第一电压电平不同的第二电压电平的第二电压源供电，使用了两个不同的电源电压供电。

7、本发明的区别：本发明使用了前置电路对输入信号进行预处理，将前置电路预处理过后的信号输入到升压电路，前置电路(1)中，nmos管m5、m6、m8、m10这四个管子使用低电压阈值类型的管子，即第一电平阈值的mos管，使较低的输入信号也可以使电路开始工作，从而实现宽输入范围的转换特点；所述升压电路(2)中，nmos管m17的漏极和所述升压电路(1)中的nmos管m7的栅极相连，nmos管m18的漏极和所述前置电路(1)中nmos管m9的栅极相连，形成反馈支路。所述前置电路(1)中pmos管m1和pmos管m2以及pmos管m3和pmos管m4分别构成了两个预放大的电流镜，nmos管m8和nmos管m10分别作为两个控制mos管。只有nmos管m5、m6、m8、m10这四个管子使用的低阈值电压类型的mos管，与电源vdd相连的mos均是高电压阈值类型mos管，因此整个电平移位器电路只需要一个单独的电源电压供电即可正常工作，简化了电路的复杂性。

8、所述升压电路(2)中由pmos管m12和pmos管m13构成正反馈结构，能有效加快输入电平到输出电平的转换速度；由nmos管m11和nmos管m14构成的两个瞬态增强结构，在信号跳变的时候实现快速的转换，加快信号电平的转换，信号稳定过后处于则关断；pmos管m19和电阻r组成的通路可以在dn为低电平的时候将y点的电压快速拉高，nmos管m20的栅极接在nmos管m17管的漏极，即x点处，它在导通时可以加快拉低y点电压的速度，通过以上方式，能做到对输入信号进行高速准确的电平转换；所述升压电路(2)采用对称结构，可以输出两路逻辑相反的信号。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路。本发明的技术方案如下：

2、一种适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路，其包括：前置电路(1)、升压电路(2)，其中，所述升压电路(2)中包括瞬态增强结构①、加速转换结构②，还包括第一缓冲器a1、第二缓冲器a2、第三缓冲器a3、第一反相器b1；所述前置电路(1)的信号输出端接所述升压电路(2)的信号输入端，所述升压电路(2)中的x、y点接所述前置电路(1)的输入端；所述前置电路(1)为所述升压电路(2)预处理输入信号，输入数据信号为单极性信号；所述升压电路(2)用于将所述前置电路(1)的输出信号进行升压并输出；所述瞬态增强结构①和所述加速转换结构②用于在信号切换瞬间提升数据信号电平转换的速度，使提出的电平移位器具有较宽的输入范围和高速的电平转换速度。

3、进一步的，所述前置电路(1)包括第一反相器b1、第一缓冲器a1、第二缓冲器a2、pmos管m1、pmos管m2、pmos管m3、pmos管m4、nmos管m5、nmos管m6、nmos管m7、nmos管m8、nmos管m8、nmos管m9、nmos管m10，其中，第一反相器b1输出端分别与nmos管m6的栅极、nmos管m8的栅极相连，nmos管m5的栅极与nmos管m10的栅极相连，pmos管m1的源极分别于pmos管m2的源极、pmos管m3的源极、pmos管m4的源极以及外部电源vdd相连，nmos管m7的源极、nmos管m8的源极、nmos管m9的源极、nmos管m10的源极以及外部地线gnd相连，pmos管m1的漏极与nmos管m5的漏极相连，nmos管m5的源极和nmos管m7的漏极相连，pmos管m1的栅极和pmos管m2的栅极相连，pmos管m2的漏极分别与第二缓冲器a2的输入端和nmos管m8的漏极相连，pmos管m3的栅极和pmos管m4的栅极相连，pmos管m3的漏极和nmos管m6的漏极相连，nmos管m6的源极和nmos管m9的漏极相连，pmos管m4的漏极分别与第一缓冲器a1的输入端和nmos管m10的漏极相连。

4、进一步的，所述前置电路(1)中，nmos管m5、m6、m8、m10这四个管子使用低电压阈值类型的管子，它们的宽长比一样，阈值电压比高电源电压的mos管小，所以输入信号的电平即使偏低，也能开启电路；其中低压阈值类型的nmos管m5和m9的栅极接输入电平信号in，将信号in经过第一反相器b1取反后得到信号ip，ip接nmos管m8和nmos管m10的栅极；pmos管m1、m2、m3、m4分别构成了两个预放大的电流镜，它们的宽长比一样；nmos管m8和nmos管m10分别作为此通路的两个控制mos管，它们的宽长比也一样；第一缓冲器a1和第二缓冲器a2内部由级联反相器构成，它们结构相同，电源电压vdd为高电压域电压。

5、进一步的，所述升压电路(2)包括：nmos管m11、pmos管m12、pmos管m13、nmos管m14、pmos管m15、pmos管m16、nmos管m17、nmos管m18、pmos管m19、nmos管m20、第三缓冲器a3以及一个电阻r。其中，pmos管m15的栅极分别与nmos管m17的栅极、nmos管m14的栅极以及第二缓冲器a2的输出端相连，pmos管m16的栅极分别与nmos管m18的栅极、nmos管m11的栅极、pmos管m19的栅极以及第一缓冲器a1的输出端相连，nmos管m11的漏极、pmos管m12的源极、pmos管m13的源极、nmos管m14的漏极以及电阻r的一端分别与外部电源vdd相连，电阻r的另一端与pmos管m19的源极相连，nmos管m17的源极分别与nmos管m18的源极和nmos管m20的源极以及外部地线gnd相连，nmos管m11的源极分别与pmos管m15的漏极、pmos管m13的栅极、nmos管m7的栅极、nmos管m20的栅极和nmos管m17的漏极相连，pmos管m12的漏极与pmos管m15的源极相连，pmos管m12的栅极分别与nmos管m14的源极、pmos管m16的漏极、nmos管m18的漏极、nmos管m20的漏极、nmos管m9的栅极、pmos管m19的漏极以及第三缓冲器的输入端相连。

6、进一步的，所述升压电路(2)中由pmos管m12和pmos管m13构成的正反馈结构，能有效加快输入电平到输出电平的转换速度；由nmos管m11和nmos管m14构成的两个瞬态增强结构，它们的栅极分别接信号dn和d，且只在信号跳变的时候实现快速的转换，信号稳定过后处于关断状态，不对电路造成影响；pmos管m19和电阻r组成的通路可以在dn为低电平的时候将y点的电压快速拉高，nmos管m20的栅极接在nmos管m17管的漏极，即x点处，它在导通时可以加快拉低y点电压的速度。

7、进一步的，所述升压电路(2)中，pmos管m15和nmos管m17、pmos管m16和nmos管m18作为两对反相器结构输入mos管，其中，nmos管m17和nmos管m18一直只有一个处于导通状态，pmos管m15和pmos管m16一直只有一个处于导通状态；当数据信号d为逻辑高时，nmos管m17导通，pmos管m15关断，此时将x点电压拉低，从而使pmos管m13导通，且此时pmos管m16导通，nmos管m18关断，从而拉高y点的电压，最终输出经过第三缓冲器a3后输出高电平逻辑。

8、进一步的，所述升压电路(2)中，nmos管m17的漏极和所述升压电路(1)中的nmos管m7的栅极相连，nmos管m18的漏极和所述前置电路(1)中nmos管m9的栅极相连，形成具有一定调节功能的反馈支路。

9、进一步的，所述第一缓冲器a1、第二缓冲器a2、第三缓冲器a3以及第一反相器b1内部使用同一种类型的反相器。

10、本发明的优点及有益效果如下：

11、1、本发明为了得到准确的高电平信号，让电平移位器能准确快速的将低电压域的信号电平输出为高电压域的信号电平，所提出的结构包括正反馈结构、瞬态增强结构、加速转换支路都可以对信号翻转起到加速的作用，前置电路中与输入数据信号相连的管子都是低阈值类型的mos管，使电平移位器具有较宽的输入范围和高速转换的特点。

12、2、所提出的适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路具有低成本，面积小利于集成化的优点。所提出的电平移位器电路只由两个整体模块构成，以及一个电阻就可以实现快速的电平切换，无需外部再单独提供控制信号和电流源，同时也避免了使用电容增加芯片的面积，具有节约成本，减小面积，高度集成化的优点。

13、3、所提出的适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路是直接根据输入信号电平的变化来产生切换信号的，具有很高的可靠性。在整个电平移位器电路中，电路具有一定的自调节的功能，受到工艺角以及温度的影响非常小，因为没有外部输入电流变化的影响，而所提出的电平移位器电路不需要外部电流，就可以实现电平快速切换的功能。

14、4、为了降低由于节点寄生电容充放电导致的延时问题，所采用的加速支路用于提升所述电平移位器的电压转换速度，可以使电路快速地实现低压到高压的转换。且采用的瞬态增强结构在只在电平切换的瞬间时工作，电平稳定后关断，可以在一定程度上降低整体的功耗。

15、5、所述适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路还可以实现双输出，即可以输出两路逻辑相反的信号。

16、主要的创新：本发明为了得到准确的高电平信号，让电平移位器能准确快速的将低电压域的信号电平输出为高电压域的信号电平，所述升压电路(2)中由nmos管m11和nmos管m14构成的两个瞬态增强结构，在信号跳变的时候实现快速的转换，在输入信号电平跳变的瞬间加快信号电平的转换，输入信号稳定过后处于则关断；pmos管m19和电阻r组成的支路可以在信号电平dn为低电平的时候将y点的电压快速拉高，nmos管m20的栅极接在nmos管m17管的漏极，即x点处，它在导通时可以加快拉低y点电压的速度；所述前置电路(1)nmos管m7、nmos管m9的栅极和所述升压电路(2)nmos管m17、nmos管m18形成具有一定调节功能的反馈支路；通过以上方式，能做到对输入信号进行高速准确的电平转换。

17、达到的效果：所述适用于单极性信号的高速率宽范围电平移位器电路仅需一个单电源电压供电即可工作。所述升压电路(2)中，pmos管m15和nmos管m17、pmos管m16和nmos管m18作为两对反相器结构输入mos管，其中，nmos管m17和nmos管m18一直只有一个处于导通状态，pmos管m15和pmos管m16一直只有一个处于导通状态。

18、nmos管m11和nmos管m14构成的两个瞬态增强结构，只在信号电平切换的瞬间工作，稳定过后即关闭，不会干扰稳定过后信号的输出，也能在一定程度上节约功耗；加速转换支路主要加快信号电平的反转速度，使信号可以在高速下准确快速的输出，同时不会影响准确信号的输出；此外，所述升压电路(2)中，nmos管m17的漏极和所述升压电路(1)中的nmos管m7的栅极相连，nmos管m18的漏极和所述前置电路(1)中nmos管m9的栅极相连，形成具有一定调节功能的反馈支路。如果x点电平为高电平，y点电位为低电平，使得第二缓冲器a2的输入端电压为高，第一缓冲器a1的输入端电压为低，经过低延时的缓冲器后，作用于升压电路，即d端为高，dn端为低，升压电路中的nmos管m17导通、pmos管m15关断，pmos管m16导通、nmos管m18关断，致使x点电压为低，由前面分析可知，会迫使前置电路的nmos管m7的栅极又回到低电平，最终使y点电压为高，输出q经第三缓冲器a3后最终为高电平。