CN106374911B - I/o驱动器控制信号生成单元、i/o驱动器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种I/O驱动器控制信号生成装置，其包括第一级放大器，其为电流镜负载的差分放大器，用于放大来自内核的输入信号，所述第一级放大器包括反馈控制的脉冲生成单元，所述反馈控制的脉冲生成单元生成的信号的所述输入信号作为所述差分放大器的差分输入；第二级放大器，其为PMOS器件和NMOS器件构成的反相器，所述第二级放大器的PMOS器件输入端与所述第一级放大器的高端输出端与连接，所述第二级放大器的NMOS器件输入端与所述第一级放大器的低端输出端或经过反相的所述输入信号连接；所述第二级放大器的PMOS器件或NMOS器件的漏端用于输出生成的控制信号，在所述第一级放大器和第二级放大器之间包括状态保持装置。

Description

I/O驱动器控制信号生成单元、I/O驱动器及电子装置

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体而言涉及一种I/O驱动器控制信号生成单元、I/O驱动器及电子装置。

背景技术

I/O驱动电路是集成电路领域常用电路，图1为常规I/O驱动电路图，其使用单个PMOS器件和NMOS器件实现上拉驱动和下拉驱动，二者均可承受足够的可允许的过驱动电压，图中Data_P和Data_N分别表示PMOS器件和NMOS的控制信号。当图1中的PMOS和NMOS器件均偏置在低电平时，PMOS器件导通，NMOS器件关断，输出端PAD被驱动至高电平。当PMOS器件和NMOS器件均偏置在高电平时，PMOS器件关断，NMOS器件导通，输出端PAD被驱动至低电平。当PMOS器件偏置在高电平，NMOS器件偏置在低电平时，PMOS器件和NMOS器件均关断，输出端PAD为高电阻状态(即，无驱动电压状态，从输出端PAD看进去为无穷大电阻)。

随着微电子和半导体技术的发展，器件的关键尺寸越来越小，且低功耗和高速度越来越重要。在CMOS技术中，降低栅极氧化物厚度可改善运行速度，但是仅能在栅极氧化物上施加有限的可允许电压，比如之前的MOS器件可承受3.3V的工作电压，当进入28nm及以下技术节点后，MOS器件可承受电压为1.8V，当工作电压高于栅极氧化物可允许电压时，常规MOS器件的工作寿命将大大减小。

为此在高工作压I/O电路中，使用两个串联连接的MOS器件来作为驱动器，这样通过串联分压可使器件承受的电压降低。图2为一种高工作压I/O电路，如图2所示，其电源电压为Vd33，其中一个的PMOS器件(MP1)通过栅极上的数字逻辑信号Data_P(中间电平～电源电平)控制，另一个PMOS器件(MP2)偏置在恒定参考信号(该信号为电源电平的一半左右，可使PMOS器件导通)。类似的，一个的NMOS器件(MN1)通过栅极上的数字逻辑信号Data_N(地电平～中间电平)控制，另一个NMOS器件(MN2)偏置在恒定参考信号(该信号为电源电平的一半左右，可使NMOS器件导通)。当Data_P为中间电平并且Data_N为地电平时，MP1导通，MP2和MN2也导通，MN1关闭，节点A和PAD被驱动至高电平(电源电平)，节点Y被MN2嵌位在中间电平(REFN-Vtn，Vtn为NMOS器件栅极阈值电压)，此时串联分压NMOS器件MN1和MN2上承受电压在其允许范围内(Vgs、Vds和Vgb)，MN1和MN2均工作在安全范围内。当Data_N为中间电平并且Data_P为电源电平时，MP1关断，MP2和MN1和MN2导通，节点B和输出端PAD被驱动至低电平，节点“A”被钳制在中间电平(REFP+Vtp，Vtp为PMOS器件栅极阈值电压)，PMOS器件MP1和MP2上承受电压在其允许范围内。

然而，目前的集成电路中，内核电压信号(core power signal)均较低，该信号无法直接作为类似图2的I/O驱动电路的控制信号，因此，有必要提出一种新的I/O驱动电路控制信号生成装置，以解决上述存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种I/O驱动器控制信号生成装置，其包括：

第一级放大器，其为电流镜负载的差分放大器，用于放大来自内核的输入信号，所述第一级放大器包括反馈控制的脉冲生成单元，所述反馈控制的脉冲生成单元生成的信号的所述输入信号作为所述差分放大器的差分输入；第二级放大器，其为PMOS器件和NMOS器件构成的反相器，用于将所述第一级放大器的输出信号进行二次放大和反相；所述第二级放大器的PMOS器件或NMOS器件的漏端用于输出生成的控制信号。

优选地，所述第一级放大器包括两个NMOS器件构成的差分对和两个PMOS器件构成的电流镜负载。

优选地，所述反馈控制的脉冲生成单元包括或非门，所述或非门的输入端分别与所述输入信号和所述第一级放大器的低端输出端连接，所述或非门的输出端与所述第一级放大器的一个输入端连接

优选地，所述第一级放大器的高端输出端与所述第二级放大器的PMOS器件输入端连接，所述输入信号经过反相后与所述第二级放大器的NMOS器件输入端连接。

优选地，所述第一级放大器的高端输出端与所述第二级放大器的PMOS器件输入端连接，所述第一级放大器的低端输出端与所述第二级放大器的NMOS器件输入端连接

优选地，在所述差分对和所述电流镜之间连接有一对分别被偏置电压控制的PMOS器件和NMOS器件组成的保护器件。

优选地，在所述第二级放大器的PMOS器件和NMOS器件之间连接有一对分别被偏置电压控制的PMOS器件和NMOS器件组成的保护单元。

优选地，在所述第一级放大器和所述第二级放大器之间包括状态保持单元，所述状态保持单元包括PMOS器件，所述PMOS器件源端与I/O驱动器的工作电源连接，漏端与所述第一级放大器的高端输出端连接，栅端与漏端或所述第二级放大器高端输出端连接。

本发明提出的I/O驱动器控制信号生成装置可将内核电源的低电平升压，以适合作为I/O驱动器的控制信号，并且可在较大频率范围内工作。

本发明另一方面提供一种I/O驱动器，其包括：串联连接在I/O驱动器工作电源和地之间的一对PMOS器件和一对NMOS器件，靠近所述工作电源的PMOS器件和靠近地的NMOS器件的输入端与控制信号连接，位于中间的PMOS器件和NMOS器件的栅端分别与偏置电压连接，位于中间的PMOS器件和NMOS器件的漏端作为所述I/O驱动器的输出端，其中所述控制信号由上述的I/O驱动器控制信号生成装置产生。

优选地，与靠近所述工作电源的PMOS器件的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的PMOS器件的漏端。

优选地，与靠近所述地的NMOS器件的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的NMOS器件的漏端。

本发明再一方面提供一种电子装置，其包括本发明提供的上述I/O驱动器控制信号生成装置或上述I/O驱动器。

本发明提出的电子装置，由于具有上述I/O驱动器控制信号生成装置或上述I/O驱动器，因而具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了常规I/O驱动电路的电路示意图；

图2示出了一种高工作电压的I/O驱动电路的电路示意图；

图3是根据本发明一实施方式的I/O驱动器控制信号生成装置的结构框图；

图4是根据本发明一实施方式用于I/O驱动电路中PMOS器件控制信号的电路示意图；

图5是根据本发明一实施方式用于I/O驱动电路中NMOS器件控制信号的电路示意图；

图6是图4和图5中的各点电平随输入信号的变化关系图；

图7是根据本发明另一实施方式用于I/O驱动电路中PMOS器件控制信号的电路示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

本发明提供一种I/O驱动器控制信号生成装置，用于产生I/O驱动器内PMOS器件或NMOS器件的控制信号，如图3所示，该I/O驱动器控制信号生成单元包括：第一级放大器100和第二级放大器101，其中第一级放大器100用于将小的输入信号升压，转换为电压较高的信号，第二级放大器101为反相器，用于将第一级放大器100的输出信号二次放大并反相。

采用本发明的其可将来自内核的摆幅较小的信号转化为摆幅较大的信号，以作为I/O驱动器的控制信号。

可以理解的是，虽然在本实施方式中I/O驱动器控制信号生成装置由两级放大器组成，但是在其他实施方式中可根据需要设计为更多级的结构，比如三级结构，或者更少，比如一级，只要可实现将小的输入信号转换为大的输出信号即可。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

下面结合图4～图6对本发明的I/O驱动器的控制信号生成装置做详细描述。

图4是用于I/O驱动电路中PMOS器件控制信号的电路示意图；图5是用于I/O驱动电路中NMOS器件控制信号的电路示意图，二者区别在PG输出信号为高共模电压的信号(即从接近于参考信号REFP加上PMOS的阈值电压到电源电压)，NG输出信号为低共模电压的信号(即从地电压到接近于参考信号REFN减去NMOS的阈值电压)，基本结构一致，在此我们以图4所示用于I/O驱动电路中PMOS器件控制信号的电路示意图来进行说明。

如图4所示，该I/O驱动器的控制信号生成装置包括第一级放大器100和第二级放大器101，第一级放大器100用于升压，第二级放大器101用于反相。

其中，第一级放大器100为电流镜负载的差分放大器，其包括两个NMOS器件(NM0和NM1)构成的差分对、两个PMOS(PM0和PM1)器件构成的电流镜负载，以及两个PMOS和NMOS器件对构成的保护器件(PM3和NM3、PM4和NM4)，其中来自内核的输入信号DP和由或非门NOR产生的反馈信号DPB作为所述差分放大器的差分输入。如图4所示，NM0和NM1的栅端作为第一级放大器100的两个差分输入端，PM1的漏端作为第一级放大器100的高端输出端PGB。输入信号DP与NM1的栅端连接作为其中一个差分输入信号，或非门NOR的输出端DPB与NM0的栅端连接作为另外一个差分输入信号。或非门NOR输入端IN1与NM1的漏端(即第一级放大器100的低端输出端)连接，输入端IN2与输入信号DP连接，用于产生反馈信号。

第二级放大器101包括PMOS(PM2)和NMOS(NM2)构成的反相器和PM5和NM5构成的保护器件，第一级放大器100的输出端PGB与第二级放大器的PMOS输入端接，输入信号DP经过反相后与第二级放大器100的NMOS输入端连接，第二级放大器的PMOS的漏端用于输出生成的控制信号PG。如图4所示，第一级放大器100的输出端PGB与PM2的栅端连接，输入信号DP经过反相器反相后与所述NM2的栅端连接，PM2的漏端作为该控制信号生成装置的输出端，用于输出I/O驱动器中PMOS器件的控制信号。

进一步地，在本实施例中，为了保护各MOS器件，在所述差分对、电流镜负载以及第二级放大器的PMOS和NMOS之间串联接入一对分别被偏置电压控制的PMOS器件和NMOS器件组成的保护单元。如图4所示，在PM0和NM0之间串联接入PM3和NM3组成的保护单元，在PM1和NM1之间串联接入PM4和NM4组成的保护单元，在PM2和NM2之间串联接入PM5和NM5组成的保护单元，其中PM3、PM4、PM5的栅端偏置在参考信号REFP，NM3、NM4、NM5的栅端偏置在参考信号REFN，当PMOS保护器件的漏端被拉低时，该保护器件即处于饱和导通状态，直到其源端，即被保护器件的漏端被拉低到嵌位电压(参考信号电平加上一个阈值电压)，该保护器件截止，此时保护器件和被保护器件均处于安全状态下。NMOS同理。

进一步地，在所述第一级放大器和所述第二级放大器之间包括状态保持单元，所述状态保持单元包括PMOS器件，所述PMOS器件源端与I/O驱动器的工作电源连接，漏端与所述第一级放大器的高端输出端连接，栅端与漏端或所述第二级放大器高端输出端连接。具体地，在本实施例中，在所述第一级放大器的高端输出端PGB和所述第二级放大器的PMOS栅端(输入端)之间连接有一个PMOS二极管，如图4所示，在I/O驱动器的工作电源VD33和PM2的栅端之间接入栅漏短接的PMOS二极管，该PMOS器件宽长比远小于第一级放大器，当DP输入信号没有输入之前，第一级放大器输出为高阻态时，使该节点电平为高电平，因为其宽长比远小于第一级放大器，所以当DP输入信号进来后，第一级放大器有输出驱动时该PMOS不再起作用，因此该PMOS器件可在第一级放大器100的输出端PGB处于高Z状态时起稳定作用，防止电平处于浮动状态。

当图4和图5所示I/O驱动器的控制信号生成装置工作时，图中DPB、PGB、PG和NG各点的电位随输入信号DP的变化关系如图6所示。参考图6，在本实施方式中，输入信号DP为0～1V(即，输入信号为低电平为0V，高电平为略大于1V的方波信号)，当输入信号DP上升沿到来时，DPB为低电平，NM0关断，X点接近高电平，PM0和PM1也关断，NM1开启，U点被拉到低压(low level，即接近于参考信号REFN减去NMOS的阈值电压)的低电平，PGB被拉到高压(highlevel，即接近于参考信号REFP加上PMOS的阈值电压)的低电平，PG输出高压(high level)的高电平。当DP下降沿到来时，DPB为高电平，NM0开启，NM1关断，X点被拉到高压(highlevel)的低电平，PM0和PM1开启，PGB被拉到高电平，U点也被拉到低压(low level)的高电平，此时DPB变为低，NM0关断，X点被PM0拉到接近高电平，将PM0和PM1关断，此时第一级放大器处于高阻状态，其输出PBG保持高电平，PG输出高压(high level)的低电平。NG信号与PG类似，不同的是NG信号为低压(low level)。

可以理解的是，以上仅为本发明的一种实施方式，本发明可根据进行各种变形，比如，图7示出了根据本发明另一实施方式用于I/O驱动电路中PMOS器件控制信号的电路示意图，与图4所示，不同之处在于，第二级放大器101的NMOS器件的输入端(栅端)与第一级放大器100的低端输出端(U)连接，所述第二级放大器的PMOS器件和I/O驱动器的工作电源之间用于稳定信号的PMOS器件MP1，其栅端与第二级放大器101的PMOS器件的输出端(漏端)连接，漏端与第一级放大器100的高端输出端(PGB)和第二级放大器101的PMOS器件的输入端(栅端)连接，源端与工作电源连接，其同样可以实现上述效果。

实施例二

本发明另外还提供一种I/O驱动器，其包括：串联连接在I/O驱动器工作电源和地之间的一对PMOS和一对NMOS，靠近所述工作电源的PMOS和靠近地的NMOS的输入端与控制信号连接，位于中间的PMOS和NMOS的栅端分别与偏置电压连接，位于中间的PMOS或NMOS的漏端作为所述I/O驱动器的输出端，其中所述控制信号由权利要求1-6之一所述的I/O驱动器控制信号生成装置产生。

其中，与靠近所述工作电源的PMOS的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的PMOS的漏端。与靠近所述地的NMOS的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的NMOS的漏端。

实施例三

本发明另外还提供一种电子装置，其包括前述的I/O驱动器控制信号生成装置或I/O驱动器。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (11)

1.一种I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，包括：

第一级放大器，其为电流镜负载的差分放大器，用于放大来自内核的输入信号，所述第一级放大器包括反馈控制的脉冲生成单元，所述反馈控制的脉冲生成单元生成的信号和所述输入信号作为所述差分放大器的差分输入，所述差分放大器的差分输出端为所述第一级放大器的低端输出端，所述电流镜负载的输出端为所述第一级放大器的高端输出端；

第二级放大器，其为PMOS器件和NMOS器件构成的反相器，用于将所述第一级放大器的输出信号进行二次放大和反相；

其中，所述第一级放大器的高端输出端与所述第二级放大器的PMOS器件输入端连接，所述输入信号经过反相后与所述第二级放大器的NMOS器件输入端连接或者所述第一级放大器的低端输出端与所述第二级放大器的NMOS器件输入端连接，所述第二级放大器的PMOS器件或NMOS器件的漏端用于输出生成的控制信号。

2.根据权利要求1所述的I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，所述第一级放大器包括两个NMOS器件构成的差分对和两个PMOS器件构成的电流镜负载。

3.根据权利要求2所述的I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，所述反馈控制的脉冲生成单元包括或非门，所述或非门的输入端分别与所述输入信号和所述第一级放大器的低端输出端连接，所述或非门的输出端与所述第一级放大器的一个输入端连接。

4.根据权利要求2所述的I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，在所述差分对和所述电流镜之间连接有一对分别被偏置电压控制的PMOS器件和NMOS器件组成的保护器件。

5.根据权利要求1所述的I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，在所述第二级放大器的PMOS器件和NMOS器件之间连接有一对分别被偏置电压控制的PMOS器件和NMOS器件组成的保护单元。

6.根据权利要求1所述的I/O驱动器控制信号生成装置，其特征在于，在所述第一级放大器和所述第二级放大器之间包括状态保持单元，所述状态保持单元包括PMOS器件，所述PMOS器件源端与I/O驱动器的工作电源连接，漏端与所述第一级放大器的高端输出端连接，栅端与漏端或所述第二级放大器高端输出端连接。

7.一种I/O驱动器，其特征在于，包括：

串联连接在I/O驱动器工作电源和地之间的一对PMOS器件和一对NMOS器件，靠近所述工作电源的PMOS器件和靠近地的NMOS器件的输入端与控制信号连接，位于中间的PMOS器件和NMOS器件的栅端分别与偏置电压连接，位于中间的PMOS器件和NMOS器件的漏端作为所述I/O驱动器的输出端，

其中所述控制信号由权利要求1-6之一所述的I/O驱动器控制信号生成装置产生。

8.根据权利要求7所述的I/O驱动器，其特征在于，与靠近所述工作电源的PMOS器件的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的PMOS器件的漏端。

9.根据权利要求8所述的I/O驱动器，其特征在于，与靠近所述地的NMOS器件的输入端连接的所述I/O驱动器控制信号生成装置的输出端为所述第二级放大器的NMOS器件的漏端。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-6之一所述的I/O驱动器控制信号生成装置。

11.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求7-9之一所述的I/O驱动器。