JP4421791B2 - レベルシフト回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる電源電圧で動作する2つの回路ブロック間のインタフェースを行うレベルシフト回路に関し、特に、LSI等の1チップIC内の回路ブロックごとに電源のオン/オフ制御するパワーマネージメント制御が行われる該回路ブロック間のインタフェースを行うレベルシフト回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの微細化によって集積度が向上してきており、数多くの回路を1チップに収められるようになってきている。このような場合、LSIの低消費電力化を図るために、回路ブロックごとに電源系を別けるパワーマネージメントを実施していた。このため、異なる電源系の回路ブロック間での信号の入出力を行うためにレベルシフト回路が使用されていた。
【0003】
図4は、従来のレベルシフト回路の例を示した回路図である。図4のレベルシフト回路100は、第1電源電圧Vdd1を電源とするインバータ101と、ゲートに第1電源電圧Vdd1が印加されているNチャネル型MOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと呼ぶ)102と、第1電源電圧Vdd1よりも高い電圧である第2電源電圧Vdd2を電源とするラッチ回路103とで構成されている。第1電源電圧Vdd1を電源とする第1論理回路104から出力された信号は、レベルシフト回路100の入力端SINに入力され、インバータ101、NMOSトランジスタ102及びラッチ回路103を介して出力端OUTから第2電源電圧Vdd2で動作する第2論理回路105に出力される。
【0004】
以下、第1電源電圧Vdd1を1.5V、第2電源電圧Vdd2を3.0V、NMOSトランジスタ102のしきい値電圧を0.5Vとした場合を例にして説明する。入力端SINにハイ(High)レベルの信号(=1.5V)が入力されると、該信号はインバータ101で信号レベルがロー(Low)レベルに反転される。NMOSトランジスタ102のゲートには第1電源電圧Vdd1が印加されており、NMOSトランジスタ102はオンして導通状態にあることから、インバータ101の出力信号であるローレベルの信号(=0V)は、NMOSトランジスタ102を介してラッチ回路103のインバータ110の入力端に出力される。
【0005】
インバータ110の出力端はハイレベルとなり、出力端OUTからハイレベルの信号(=3.0V)が出力されると共に、Pチャネル型MOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタと呼ぶ)111はオフして遮断状態となる。このように、振幅Vdd1のハイレベルの信号が、振幅Vdd2のハイレベルの信号にレベルシフトされて出力端OUTから出力される。
【0006】
次に、入力端SINにローレベルの信号が入力されると、インバータ101の出力端はハイレベル(=1.5V)になる。NMOSトランジスタ102のゲートには1.5Vが印加されていることから、インバータ110の入力端に、第1電源電圧1.5VからNMOSトランジスタ102のしきい値電圧0.5Vだけ低下した1.0Vの電圧が印加されるとNMOSトランジスタ102はオフして遮断状態となる。
【0007】
ここで、インバータ110のしきい値を1.0V以下に設定しておくことにより、インバータ110の出力端はローレベル(=0V)になり、PMOSトランジスタ111のゲート及び出力端OUTが共にローレベルになる。PMOSトランジスタ111はオンして導通状態となり、インバータ110の入力端は3.0Vになることによって、インバータ110内で貫通電流が流れないようにする。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような構成では、パワーマネージメント制御が行われて第1電源電圧Vdd1の供給が停止すると、インバータ101及びNMOSトランジスタ102は共にオフし、このときPMOSトランジスタ111がオンしていなければ、インバータ110の入力端は不定となりラッチ回路103が誤動作して、第2論理回路105が正常に動作できなくなるという問題があった。
【0009】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、パワーマネージメント制御時においても誤動作することなく、所定の信号を出力することができるレベルシフト回路を得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレベルシフト回路は、所定の第1電源電圧を電源として動作する第1の回路から出力された信号をレベルシフトさせて、該第1電源電圧よりも高い所定の電圧の第2電源電圧を電源として動作する第2の回路へ出力するレベルシフト回路において、
上記第1の回路から出力された信号の入力制御を行うスイッチング素子からなるスイッチング部と、
上記第1電源電圧の電圧に応じて該スイッチング素子の動作制御を行う、第1電源電圧を電源として動作する第1制御回路部と、
上記スイッチング素子を介して入力された第1の回路からの信号の振幅を第2電源電圧にレベルシフトすると共に該信号レベルをラッチして上記第2の回路に出力する、第2電源電圧を電源として動作するラッチ回路部と、
上記第1電源電圧の電圧に応じて該ラッチ回路部の動作制御を行う、第2電源電圧を電源として動作する第2制御回路部と、
を備え、
上記第1制御回路部は、第1電源電圧があらかじめ設定された所定値以下になると、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号の出力を停止させ、第1電源電圧が該所定値を超えている場合、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号を上記ラッチ回路部に出力させ、上記第2制御回路部は、第1電源電圧があらかじめ設定された上記所定値以下になると、上記ラッチ回路部に対して所定の2値の信号を出力させるものである。
【0012】
この場合、上記第2制御回路部は、第1電源電圧が上記所定値を超えている場合、ラッチ回路部に対してスイッチング素子を介して入力された第1の回路からの信号の振幅を第2電源電圧値にレベルシフトさせて出力させるようにする。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態におけるレベルシフト回路の構成例を示した図である。
図1のレベルシフト回路1は、第1電源電圧Vdd1を電源とする第1論理回路2からの論理信号をレベルシフトさせて、第1電源電圧Vdd1よりも大きい第2電源電圧Vdd2を電源とする第2論理回路3に出力する。
【0014】
レベルシフト回路1は、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと呼ぶ)11と、ラッチ回路12と、第1電源電圧Vdd1の電圧値に応じてNMOSトランジスタ11の動作制御を行う第1制御回路13と、第1電源電圧Vdd1の電圧値に応じてラッチ回路12の動作制御を行う第2制御回路14とで構成されている。第1制御回路13は、第1電源電圧Vdd1があらかじめ設定された所定値α以下になるとローレベルの制御信号S1Bを、第1電源電圧Vdd1が所定値αを超えるとハイレベルの制御信号S1BをそれぞれNMOSトランジスタ11のゲートに出力する。NMOSトランジスタ11は、該制御信号S1Bに応じて、第1論理回路2からの論理信号が入力される入力端SINとラッチ回路12との接続制御を行う。
【0015】
ラッチ回路12は、NAND回路21とインバータ22,23とで構成されており、NAND回路21、インバータ22及び23は、第2電源電圧Vdd2を電源として動作する。NAND回路21において、一方の入力端にはNMOSトランジスタ11のソースが接続され、他方の入力端には第2制御回路14からの制御信号S2Bが入力される。更に、NAND回路21の出力端は、インバータ22を介してNAND回路21の上記一方の入力端に接続されると共に、インバータ23を介して出力端OUTに接続されている。
【0016】
一方、第2制御回路14は、第1制御回路13から第1電源電圧Vdd1が所定値α以下になったことを示す信号が入力されるとローレベルの制御信号S2Bを、第1電源電圧Vdd1が所定値αを超えたことを示す信号が入力されるとハイレベルの制御信号S2BをそれぞれNAND回路21の他方の入力端に出力する。
【0017】
次に、図2は、第1制御回路13及び第2制御回路14の回路例を示した図であり、図2を用いて第1制御回路13及び第2制御回路14の回路構成について説明する。
第1制御回路13は、所定の基準電圧VREFを生成して出力する基準電圧発生回路30と、抵抗38及び39で第1電源電圧Vdd1を分圧して出力する分圧回路31と、基準電圧VREFと分圧回路31からの分圧電圧VFBとを比較し、該比較結果に応じた2値の信号を出力する比較器32とを備えている。なお、比較器32において、非反転入力端に基準電圧VREFが入力されると共に反転入力端に上記分圧電圧VFBが入力されている。
【0018】
更に、第1制御回路13は、比較器32の出力信号の信号レベルを反転させるためのインバータ33と、該インバータ33の出力信号の信号レベルを反転させるインバータ34と、PMOSトランジスタ35と、NMOSトランジスタ36と、抵抗37とを備えている。第1電源電圧Vdd1と接地との間には、PMOSトランジスタ35と抵抗37との直列回路が接続され、抵抗37と並列にNMOSトランジスタ36が接続されている。
【0019】
PMOSトランジスタ35、NMOSトランジスタ36及び抵抗37の接続部からNMOSトランジスタ11への制御信号S1Bが出力され、インバータ34の出力信号は、PMOSトランジスタ35とNMOSトランジスタ36の各ゲートに出力される。また、インバータ33からの出力信号は、第2制御回路14にも出力される。なお、基準電圧発生回路30、比較器32及びインバータ33,34は、第1電源電圧Vdd1を電源として動作する。
【0020】
一方、第2制御回路14は、第1制御回路13のインバータ33から入力された信号の信号レベルを反転させるインバータ41と、PMOSトランジスタ42と、NMOSトランジスタ43と、抵抗44とで構成されている。第2電源電圧Vdd2と接地との間には、PMOSトランジスタ42と抵抗44との直列回路が接続され、抵抗44と並列にNMOSトランジスタ43が接続されている。PMOSトランジスタ42、NMOSトランジスタ43及び抵抗44の接続部からNAND回路21への制御信号S2Bが出力され、インバータ41の出力信号は、PMOSトランジスタ42とNMOSトランジスタ43の各ゲートに出力される。なお、インバータ41は、第2電源電圧Vdd2を電源として動作し、インバータ33の出力がハイレベルのときに、出力端がローレベルになるようにインバータ41のしきい値電圧を設定しておく。
【0021】
このような構成において、第1電源電圧Vdd1が所定値α以下、すなわち分圧電圧VFBが基準電圧VREF以下になると、比較器32の出力端はハイレベルとなり、PMOSトランジスタ35はオフして遮断状態となり、NMOSトランジスタ36はオンして導通状態となる。このため、第1制御回路13は、ローレベルの制御信号S1Bを出力する。また、この際、インバータ33から第2制御回路14にローレベルの信号が出力され、第2制御回路14において、PMOSトランジスタ42はオフして遮断状態となり、NMOSトランジスタ43はオンして導通状態となることから、ローレベルの制御信号S2Bを出力する。
【0022】
これらのことから、NMOSトランジスタ11はオフして遮断状態になると共に、ラッチ回路12のNAND回路21の出力端はハイレベルになり、出力端OUTからはローレベルの信号が出力される。なお、NAND回路21において、一方の入力端が制御信号S2Bによってローレベルになると共に、他方の入力端においてもインバータ22によってローレベルになる。
【0023】
次に、第1電源電圧Vdd1が所定値αを超える、すなわち分圧電圧VFBが基準電圧VREFを超えると、比較器32の出力端はローレベルとなり、PMOSトランジスタ35はオンして導通状態となり、NMOSトランジスタ36はオフして遮断状態となる。このため、第1制御回路13は、ハイレベルの制御信号S1Bを出力する。また、この際、インバータ33から第2制御回路14にハイレベルの信号が出力され、第2制御回路14において、PMOSトランジスタ42はオンして導通状態となり、NMOSトランジスタ43はオフして遮断状態となることから、ハイレベルの制御信号S2Bを出力する。
【0024】
これらのことから、NMOSトランジスタ11はオンして導通状態になると共に、ラッチ回路12のNAND回路21は、NMOSトランジスタ11を介して入力される信号の信号レベルを反転させた信号を出力し、出力端OUTからはNMOSトランジスタ11を介して入力された信号と同じ信号レベルの信号が出力される。
【0025】
例えば、第1電源電圧Vdd1を1.5V、第2電源電圧Vdd2を3.0V、NMOSトランジスタ11のしきい値電圧を0.5Vとした場合を例にして、第1電源電圧Vdd1が所定値αを超えているときの動作について説明する。入力端SINに1.5Vのハイレベルの信号が入力されると、NMOSトランジスタ11のゲートには第1制御回路13から1.5Vのハイレベルの制御信号S1Bが入力されることから、NMOSトランジスタ11はオンする。
【0026】
NMOSトランジスタ11がオンして、NAND回路21の入力端に、第1電源電圧Vdd1の1.5VからNMOSトランジスタ11のしきい値電圧0.5Vだけ低下した1.0Vの電圧が印加されるとNMOSトランジスタ11はオフして遮断状態となる。ここで、NAND回路21のしきい値を1.0V以下に設定しておくことにより、NAND回路21の出力端はローレベル(=0V)になり、インバータ23によって出力端OUTに3.0Vのハイレベルの信号が出力される。このとき、NMOSトランジスタ11が接続されるNAND回路21の入力端には、インバータ22を介して3.0Vのハイレベルの信号が入力される。
【0027】
次に、入力端SINにローレベルの信号(=0V)が入力されると、NMOSトランジスタ11のゲートには1.5Vのハイレベルの制御信号S1Bが入力されており、NMOSトランジスタ11はオンして導通状態にあることから、入力端SINに入力されたローレベルの信号(=0V)は、NMOSトランジスタ11を介してラッチ回路12におけるNAND回路21の一方の入力端に出力される。NAND回路21の出力端は3.0Vのハイレベルになり、インバータ23によって出力端OUTにローレベルの信号(=0V)が出力される。このとき、NMOSトランジスタ11が接続されるNAND回路21の入力端には、インバータ22を介してローレベルの信号(=0V)が入力される。
【0028】
次に、第1電源電圧Vdd1が所定値α以下になると、第1制御回路13からローレベルの制御信号S1B(=0V)が出力されると共に、第2制御回路14からローレベルの制御信号S2B(=0V)が出力される。このことから、NMOSトランジスタ11はオフして遮断状態になると共に、NAND回路21の出力端は、NMOSトランジスタ11に接続された入力端のレベルに関係なくハイレベル(=3.0V)になり、インバータ23によって出力端OUTにローレベルの信号(=0V)が出力される。このとき、NMOSトランジスタ11が接続されるNAND回路21の入力端には、インバータ22を介してローレベルの信号(=0V)が入力される。
【0029】
ここで、上記説明では第1電源電圧Vdd1が所定値α以下のときに、出力端OUTはローレベルになるようにしたが、第1電源電圧Vdd1が所定値α以下のときに、出力端OUTはハイレベルになるようにしてもよく、このようにした場合のレベルシフト回路を図3に示す。なお、図3では、図1と同じものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図1との相違点のみ説明する。
図3における図1との相違点は、図1のラッチ回路12の回路構成を変えたことにあり、これに伴って図1のラッチ回路12をラッチ回路12aにし、図1のレベルシフト回路1をレベルシフト回路1aにした。
【0030】
レベルシフト回路1aのラッチ回路12aにおいて、NMOSトランジスタ11と出力端OUTとの間にインバータ22と23との直列回路が接続され、インバータ22の入力端にはNAND回路21の出力端が、インバータ22の出力端には、NAND回路21の一方の入力端が接続されている。更に、NAND回路21の他方の入力端には、第2制御回路14からの制御信号S2Bが入力される。このような構成にすることにより、第1電源電圧Vdd1が所定値α以下になると、出力端OUTからハイレベルの信号(=3.0V)を出力させることができる。
【0031】
このように、本実施の形態におけるレベルシフト回路は、第1電源電圧Vdd1が所定値α以下になると、第1制御回路13はNMOSトランジスタ11をオフさせて遮断状態にすると共に、第2制御回路14は、ラッチ回路に対して0Vのローレベル信号又は第2電源電圧Vdd2の電圧のハイレベル信号のいずれかを出力させるようにした。このことから、パワーマネージメント制御時においても誤動作することなく、所定の信号を出力させることができる。
【0032】
なお、上記実施の形態では、説明を分かりやすくするため、第1論理回路2から第2論理回路3への1つの信号に対応したレベルシフト回路を例にして説明したが、これは一例であり、本発明はこれに限定するものではなく、レベルシフトさせる必要がある信号ごとにレベルシフト回路1又は1aを設けるようにしてもよい。
【0033】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明のレベルシフト回路によれば、第1電源電圧があらかじめ設定された所定値以下になると、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号の出力を停止させ、第1電源電圧が該所定値を超えている場合、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号を上記ラッチ回路部に出力させるようにした。このようにしたことから、LSI等の1チップIC内の回路ブロックごとに電源のオン/オフ制御するパワーマネージメント制御時においても誤動作することなく、所定の信号を出力させることができ、パワーマネージメント制御時における第2の回路の誤動作を防止することができるため、信頼性の向上を図ることができる。
【0034】
また、第1電源電圧があらかじめ設定された所定値以下になると、ラッチ回路部に対して所定の2値の信号を出力させるようにした。このことから、パワーマネージメント制御時に第1電源電圧が供給されなくなった場合に、ラッチ回路部から所定の信号を出力させることができ、パワーマネージメント制御時における第2の回路の仕様に応じた信号を出力することができ、汎用性を高めることができる。
【0035】
この場合、第1電源電圧が所定値を超えている場合、ラッチ回路部に対してスイッチング素子を介して入力された第1の回路からの信号の振幅を第2電源電圧値にレベルシフトさせて出力させるようにした。このことから、第1電源電圧が供給されている場合は、通常のレベルシフト回路として動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態におけるレベルシフト回路の構成例を示した図である。
【図2】 図1における第1制御回路13及び第2制御回路14の回路例を示した図である。
【図3】 本発明の実施の形態におけるレベルシフト回路の他の構成例を示した図である。
【図4】 従来のレベルシフト回路の構成例を示した図である。
【符号の説明】
1,1a レベルシフト回路
2 第1論理回路
3 第2論理回路
11 NMOSトランジスタ
12,12a ラッチ回路
13 第1制御回路
14 第2制御回路
Claims (2)
- 所定の第1電源電圧を電源として動作する第1の回路から出力された信号をレベルシフトさせて、該第1電源電圧よりも高い所定の電圧の第2電源電圧を電源として動作する第2の回路へ出力するレベルシフト回路において、
上記第1の回路から出力された信号の入力制御を行うスイッチング素子からなるスイッチング部と、
上記第1電源電圧の電圧に応じて該スイッチング素子の動作制御を行う、第1電源電圧を電源として動作する第1制御回路部と、
上記スイッチング素子を介して入力された第1の回路からの信号の振幅を第2電源電圧にレベルシフトすると共に該信号レベルをラッチして上記第2の回路に出力する、第2電源電圧を電源として動作するラッチ回路部と、
上記第1電源電圧の電圧に応じて該ラッチ回路部の動作制御を行う、第2電源電圧を電源として動作する第2制御回路部と、
を備え、
上記第1制御回路部は、第1電源電圧があらかじめ設定された所定値以下になると、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号の出力を停止させ、第1電源電圧が該所定値を超えている場合、上記スイッチング部に対して第1の回路部からの信号を上記ラッチ回路部に出力させ、上記第2制御回路部は、第1電源電圧があらかじめ設定された上記所定値以下になると、上記ラッチ回路部に対して所定の2値の信号を出力させることを特徴とするレベルシフト回路。 - 上記第2制御回路部は、第1電源電圧が上記所定値を超えている場合、上記ラッチ回路部に対して上記スイッチング素子を介して入力された第1の回路からの信号の振幅を第2電源電圧値にレベルシフトさせて出力させることを特徴とする請求項1記載のレベルシフト回路。
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