CN1905371A - 一种电压转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压转换电路。该电压转换电路将以第一电源作为动作电源的一输入信号与一反相输入信号转换为以第二电源作为动作电源的一输出信号；其包括一电压转换单元以及一闩锁单元。电压转换单元接收二个互补输入信号，并转换二个互补输入信号的电压位准。闩锁单元在低电压电源关掉时，用以将二个输出节点的电压位准闩锁在低电压电源关掉前的状态。在低电压电源关掉的情况下，本发明电压转换电路不会漏电并可确定输出端的电压位准，同时具有电路面积小与设计简单等优点。

Description

一种电压转换电路

技术领域

本发明涉及集成电路(integrated circuit)，尤其涉及一种电压转换器(level shifter)电路，在低电压电源关掉(OFF)时，能将输出节点的电压位准(voltage level)闩锁(latch)在低电压电源关掉前的状态。

背景技术

集成电路有时会包含两个运作在不同电压位准或电源域(power domain)的电路。例如，集成电路的核心(core)部分在运作时的电压位准VDDL(例如3.3V)通常会低于输入/输出(I/O)电路的电压位准VDDH(例如5V)，以减少功率损耗并因此可使用较小的晶体管(transistor)，从而缩小整个晶粒(die)的尺寸。因此，集成电路常利用电压转换器来调整输入信号的电压位准，使输出信号在较高或较低电压位准的另一个电源定域电路能正确地运作。

图1为现有电压转换电路的构成电路图。由图1可知，电压转换电路100具有输入单元11、电压转换单元12与输出单元13的结构。供应输入单元11的第一电源的电压位准VDDL低于供应电压转换单元12与输出单元13的第二电源的电压位准VDDH。输入单元11接收前级输入信号INP后，产生输入信号IN与反相输入信号XIN。为达到省电目的，经常会将低电压的第一电源关掉。将第一电源关掉后，n沟道晶体管105、107的栅极(gate)端电压会降至临界电压Vt之下，使得n沟道晶体管105、107关闭以及互补输出节点111、输出节点112浮接(float)。最差的状况是，若节点111、112的电压刚好停在VDDH/2附近，将造成输出单元13的反相器108、109的漏电(static current drain)现象。这是因为仅靠着两颗p沟道金氧半(PMOS)晶体管104、106只能将一个节点(111或112)拉至VDDH，另外一节点缺少对地的漏电路径会停在VDDH/2，进而造成反相器108、109中的p沟道金氧半(PMOS)晶体管与n沟道金氧半(NMOS)晶体管(图中未显示)同时导通，使高电压的第二电源有漏电现象。另外，由于此时输出端110的电压是不确定的，有可能会造成后级的错误。

图2为另一现有电压转换电路的构成电路图。如图2所示，电压转换器200也包含输入单元11、电压转换单元22与输出单元13。只是电压转换单元22在原有的图1的电压转换单元12中加入两颗p沟道晶体管204、206，以增加节点111或112的电压下降速度。如同上述，当低电压的第一电源关掉的后，n沟道晶体管105、107的栅极端电压会降至临界电压Vt之下，使得n沟道晶体管105、107关闭，p沟道晶体管204、206则为导通状态。其余的情况跟图1一样，节点111、112也会浮接，若节点111、112的电压刚好停在VDDH/2附近，将造成高电压的第二电源的漏电现象，同时，输出端110的电压也不确定。

图3为再一现有电压转换电路的构成电路图。参考图3，美国专利文献第6,600,358号提出一种在低电压电源关掉时不漏电的电压转换电路300，利用一低电压检测器(low voltage detector)320来检测低电压的电源。当低电压的第一电源关掉时，通过将输入端101与输出端110隔离，可以避免因栅极端浮接所产生的漏电现象。然而，此电压转换电路的输出端110在第一电源关掉后就会固定在一种电压准位，而非维持在低电压电源关掉前的状态。此外，低电压检测器320所需的晶体管很多，并会随着两个不同电源定域的高低电压差变大，而需要更多级来做低电压的检测。另外，此电压转换电路300的电路布局(layout)面积会比现有的大上许多。

图4为又一现有电压转换电路的构成电路图。参考图4，美国专利文献第6,819,159号提出一种电压转换电路400，由两组电压转换器430、440及二颗晶体管405、407所组成，利用晶体管405、407来加快输出端110的电压往下掉的速度。当第一电源关掉时，若两组电压转换430、440完全匹配，晶体管405、407可以当成互补输出节点111、输出节点112对地的漏电途径，不会造成其它的漏电现象。不过，因包含两组电压转换器430、440的关系，电压转换器电路400所占用的电路面积较大。两组电压转换器430、440的电路布局也需匹配，电路设计难度较高。

类似以上的电压转换电路，可说是不胜枚举，然而无论采用何种设计方式，其目的就是能准确地调整输入信号的电压位准。然而，在低电压电源关掉的情况下，电路依然不漏电并可确定输出端的电压位准，同时符合电路面积小与设计简单等条件，才是最实用的电压转换电路。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电压转换器，即使在低电压电源关掉时，可将输出节点的电压闩锁在低电压电源关掉前的电压位准。

为达到上述目的，本发明的电压转换电路将以第一电源作为动作电源的一输入信号与一反相输入信号转换为以第二电源作为动作电源的一输出信号；

此电压转换电路具有一电压转换单元，以第二电源作为动作电源并接收所述输入信号与反相输入信号后产生输出信号，电压转换单元具有一输出节点与一互补输出节点；一闩锁单元，以第二电源作为动作电源，并分别电连接至所述输出节点、互补输出节点与一接地端，在第一电源关掉时，闩锁单元将此二个输出节点的电压位准闩锁在第一电源关掉前的状态。

所述闩锁单元包括：

一第一n沟道晶体管，其漏极电连接至所述互补输出节点、栅极电连接至所述输出节点以及源极接地；

一第二n沟道晶体管，其漏极电连接至所述输出节点、栅极电连接至所述互补输出节点以及源极接地。

所述电压转换电路还包括：一输入单元，以所述第一电源作为动作电源，该输入单元接收一前级输入信号，并产生所述输入信号与反相输入信号。

所述输入单元包括：

一第一反相器，接收所述前级输入信号，并产生所述反相输入信号；

一第二反相器，与所述第一反相器串联连接，并产生所述输入信号。

所述电压转换电路还包括：一输出单元，以所述第二电源作为动作电源，该输出单元接收所述输出节点的信号，并产生所述输出信号与一反相输出信号。

所述输出单元包括：

一第三反相器，接收所述输出节点的信号，并产生所述反相输出信号；

一第四反相器，与所述第三反相器串联连接，并产生所述输出信号。

所述电压转换单元包括：

一第一p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，漏极定义为所述互补输出节点，而栅极连接于所述输出节点；

一第二p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，漏极定义为所述输出节点，而栅极连接于所述互补输出节点；

一第三n沟道晶体管，其栅极接收所述输入信号，漏极电连接至所述互补输出节点，而源极接地；

一第四n沟道晶体管，其栅极接收所述反相输入信号，漏极电连接至所述输出节点，而源极接地。

所述电压转换单元包括：

一第一p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，而栅极连接于所述输出节点；

一第二p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，而栅极连接于所述互补输出节点；

一第三p沟道晶体管，其源极连接至所述第一p沟道晶体管的漏极，漏极定义为所述互补输出节点，而栅极接收所述输入信号；

一第四p沟道晶体管，其源极连接至所述第二p沟道晶体管的漏极，漏极定义为所述输出节点，而栅极接收所述反相输入信号；

一第三n沟道晶体管，其栅极接收所述输入信号，漏极电连接至所述互补输出节点，而源极接地；

一第四n沟道晶体管，其栅极接收所述反相输入信号，漏极电连接至所述输出节点，而源极接地。

相较于现有的电压转换电路电路，本发明仅增加两颗n沟道晶体管就解决了低电压电源关掉时电路的漏电现象，在增加最小的电路面积情况下，便达到省电的目的。同时，电压转换电路的输出电压维持在低电压电源关掉前的状态，使后级电路正常工作。

附图说明

图1为一现有的电压转换电路的构成电路图；

图2为另一现有的电压转换电路的构成电路图；

图3为再一现有的电压转换电路的构成电路图；

图4为又一现有的电压转换电路的构成电路图；

图5为本发明电压转换电路的构成电路图；

图6为本发明第一实施例的电压转换电路结构电路图；

图7为本发明第二实施例的电压转换电路结构电路图。

具体实施方式

图5为本发明的电压转换电路的构成电路图。参考图5，本发明的电压转换电路500包括电压转换单元12与闩锁单元54。电压转换单元12主要作用是将二个互补输入信号(即输入信号IN与反相输入信号XIN)的振幅电压范围从0-VDDL转换为振幅电压范围0-VDDH(VDDL＜VDDH)的输出信号。其中，互补输入信号IN、XIN是由以低电压VDDL的第一电源作为动作电源的电路所供应。电压转换单元12与闩锁单元54则以比第一电源的电压高的第二电源VDDH作为动作电源。闩锁单元54主要作用是在低电压的第一电源关掉(Poweroff)后，将互补输出节点111与输出节点112的电压闩锁在第一电源关掉前的状态。

电压转换单元12包括一第一p沟道晶体管104、一第二p沟道晶体管106、第一晶体管装置505与第二晶体管装置507。闩锁单元54电连接至输出节点112、互补输出节点111与接地端113(图中未示出)。

第一p沟道晶体管104与第二p沟道晶体管106，分别电连接至第二电源。第一晶体管装置505接收输入信号IN，并分别电连接至第一p沟道晶体管104的漏极、第二p沟道晶体管106的栅极以及闩锁单元54。第二晶体管装置507则接收反相输入信号XIN，并分别电连接至第一p沟道晶体管104的栅极、第二p沟道晶体管106的漏极以及闩锁单元54。

图6为本发明第一实施例的电压转换电路的结构电路图。参考图6，第一实施例的电压转换电路600包括输入单元11、电压转换单元12、输出单元13与闩锁单元54。输入单元11是以低电压VDDL的第一电源作为动作电源，电压转换单元12、输出单元13与闩锁单元54则以比第一电源的电压高的第二电源VDDH作为动作电源。

输入单元11与现有的电压转换电路相同，包括二个串联的反相器，即第一反相器102、第二反相器103。第一反相器102接收前级输入信号INP的后，产生反相输入信号XIN。第二反相器103接收反相输入信号XIN的后，产生输入信号IN。输出单元13与现有的电压转换电路相同，包括二个串联的反相器108、109。反相器102、103、108、109均可利用一n沟道晶体管和一p沟道晶体管所组成的互补晶体管对来实施。

在本实施例中第一晶体管装置与第二晶体管装置分别利用n沟道晶体管105、107来实施。因此，电压转换单元12包括了一第一p沟道晶体管104、一第二p沟道晶体管106、n沟道晶体管105、107。闩锁单元54则包括二个n沟道晶体管605、607，n沟道晶体管605的漏极电连接至互补输出节点111、栅极电连接至输出节点112以及源极接地。n沟道晶体管607的漏极电连接至输出节点112、栅极电连接至互补输出节点111以及源极接地。

在第一电源打开(ON)的情况下，若输入信号IN为高逻辑位准(logic high)VDDL、反相输入信号XIN为低逻辑位准(logic low)GND，则n沟道晶体管105导通，互补输出节点111的电压被拉到低逻辑位准GND。然后，第二p沟道晶体管106导通，输出节点112的电压被拉到高逻辑位准VDDH，从而造成n沟道晶体管605导通，加快了互补输出节点111往下拉的速度。另一方面，若输入信号IN为低逻辑位准GND、反相输入信号XIN为高逻辑位准VDDL，则n沟道晶体管107导通，输出节点112的电压被拉到低逻辑位准GND。然后，第一p沟道晶体管104导通，互补输出节点111的电压被拉到高逻辑位准VDDH，从而造成n沟道晶体管607导通，加快了输出节点112往下拉的速度。因此，包括闩锁单元54的电压转换电路600，缩短了互补输出节点111与输出节点112往下拉的时间(falling time)，进而增加电压转换电路600的最高操作频率。

假设在第一电源关掉(OFF)之前，互补输出节点111与输出节点112分别为低逻辑位准与高逻辑位准。为了省电目的而将第一电源关掉后，n沟道晶体管105、107的栅极端电压会降至临界电压Vt之下，使得n沟道晶体管105、107关闭。此时，n沟道晶体管605会导通，以作为互补输出节点111对地的漏电途径。同时，第二p沟道晶体管106也导通，以作为输出节点112对第二电源的充电途径。因此，互补输出节点111与输出节点112分别维持在低逻辑位准与高逻辑位准。

另一方面，假设在第一电源关掉之前，互补输出节点111与输出节点112分别为高逻辑位准与低逻辑位准。在第一电源关掉后，n沟道晶体管607会导通，以作为互补输出节点112对地的漏电途径。同时，第一p沟道晶体管104也导通，以作为输出节点111对第二电源的充电途径。因此，互补输出节点111与输出节点112分别维持在高逻辑位准与低逻辑位准。

所以，由于电压转换电路600包括闩锁单元54，在第一电源关掉后，互补输出节点111及输出节点112的电压可以快速的拉开至VDDH或GND，使互补输出节点111与输出节点112的电压可维持在第一电源关掉前的状态，使后级电路即使在第一电源关掉后依然能正常地工作，解决了现有电路中互补输出节点111及输出节点112由于浮接而停在VDDH/2，进而造成反相器108、109的漏电现象。同时，电压转换电路600在增加最小的电路面积情况下，达到第一电源可关掉的省电目的。

图7为本发明第二实施例的电压转换电路结构电路图。参考图7，第二实施例的电压转换电路700包括输入单元11、电压转换单元22、输出单元13与闩锁单元54。电压转换单元22中的第一晶体管装置利用n沟道晶体管105和p沟道晶体管204所组成的互补晶体管对来实施，第二晶体管装置利用n沟道晶体管107和p沟道晶体管206所组成的互补晶体管对来实施。因此，电压转换单元22包括一第一p沟道晶体管104、一第二p沟道晶体管106、n沟道晶体管105、107以及p沟道晶体管204、206。互补晶体管对105、204的输出端通过互补输出节点111电连接至第二p沟道晶体管106的栅极与n沟道晶体管607的栅极。互补晶体管对107、206的输出端通过输出节点112电连接至第一p沟道晶体管106的栅极与n沟道晶体管605的栅极。

和第一实施例的电压转换电路600相较，加入p沟道晶体管204、206的电压转换电路700，有加快互补输出节点111与输出节点112的电压下降速度的效果。至于第二实施例其余的电路和第一实施例完全相同，不再赘述。

上述实施例仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明。

Claims (8)

1.一种电压转换电路，将以第一电源作为动作电源的一输入信号与一反相输入信号转换为以第二电源作为动作电源的一输出信号；其特征在于，该电压转换电路包括：

一电压转换单元，以所述第二电源作为动作电源并接收所述输入信号与反相输入信号后产生所述输出信号，该电压转换单元具有一输出节点与一互补输出节点；

一闩锁单元，以所述第二电源作为动作电源，并分别电连接至所述输出节点、互补输出节点与一接地端；

其中所述闩锁单元在所述第一电源关掉时，用于将所述输出节点与互补输出节点的电压位准闩锁在所述第一电源关掉前的状态。

2.如权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述闩锁单元包括：

一第一n沟道晶体管，其漏极电连接至所述互补输出节点、栅极电连接至所述输出节点以及源极接地；

一第二n沟道晶体管，其漏极电连接至所述输出节点、栅极电连接至所述互补输出节点以及源极接地。

3.如权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换电路还包括：一输入单元，以所述第一电源作为动作电源，该输入单元接收一前级输入信号，并产生所述输入信号与反相输入信号。

4.如权利要求3所述的电压转换电路，其特征在于，所述输入单元包括：

一第一反相器，接收所述前级输入信号，并产生所述反相输入信号；

一第二反相器，与所述第一反相器串联连接，并产生所述输入信号。

5.如权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换电路还包括：一输出单元，以所述第二电源作为动作电源，该输出单元接收所述输出节点的信号，并产生所述输出信号与一反相输出信号。

6.如权利要求5所述的电压转换电路，其特征在于，所述输出单元包括：

一第三反相器，接收所述输出节点的信号，并产生所述反相输出信号；

一第四反相器，与所述第三反相器串联连接，并产生所述输出信号。

7.如权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换单元包括：

一第一p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，漏极定义为所述互补输出节点，而栅极连接于所述输出节点；

一第二p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，漏极定义为所述输出节点，而栅极连接于所述互补输出节点；

一第三n沟道晶体管，其栅极接收所述输入信号，漏极电连接至所述互补输出节点，而源极接地；

一第四n沟道晶体管，其栅极接收所述反相输入信号，漏极电连接至所述输出节点，而源极接地。

8.如权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换单元包括：

一第一p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，而栅极连接于所述输出节点；

一第二p沟道晶体管，其源极连接至所述第二电源，而栅极连接于所述互补输出节点；

一第三p沟道晶体管，其源极连接至所述第一p沟道晶体管的漏极，漏极定义为所述互补输出节点，而栅极接收所述输入信号；

一第四p沟道晶体管，其源极连接至所述第二p沟道晶体管的漏极，漏极定义为所述输出节点，而栅极接收所述反相输入信号；

一第三n沟道晶体管，其栅极接收所述输入信号，漏极电连接至所述互补输出节点，而源极接地；

一第四n沟道晶体管，其栅极接收所述反相输入信号，漏极电连接至所述输出节点，而源极接地。

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