TWI581572B

TWI581572B - 具有電壓準位移位器的電路及晶片

Info

Publication number: TWI581572B
Application number: TW103144110A
Authority: TW
Inventors: 陳建名; 賴明芳; 張恒愷
Original assignee: 新唐科技股份有限公司
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2017-05-01
Also published as: CN106209063A; TW201624917A

Description

具有電壓準位移位器的電路及晶片

本案是涉及一種電子元件。具體而言，本案所述之實施例是涉及一種電路及晶片。

在資訊時代中，數位電子訊號已被廣泛地應用在各式電子裝置中。在此些電子裝置中，不同的電壓準位可用以代表不同的邏輯數值，如「邏輯0(logic 0)」或「邏輯1(logic 1)」。

在不同的數位電路中，代表不同邏輯數值的電壓準位，其操作電壓範圍可能有所不同。例如，在操作電壓範圍為0伏特至1.8伏特的微處理器中，高於1.3伏特(例如1.5伏特時)的電壓準位代表「邏輯1」，而相同的電壓準位(例如前述的1.5伏特時)在操作電壓範圍為0伏特至3.3伏特的電源電路中可能僅代表「邏輯0」。因此，應用於兩個不同的數位電路間、用以將前一數位電路的電壓訊號轉換為次一數位電路的電壓訊號之電壓準位移位器(voltage level shifter)是不可或缺的。

本發明的一態樣涉及一種電路。根據本發明一實施例，該電路包括一電壓準位移位器(voltage level shifter)。該電壓準位移位器包括一反相器(inverter)以及一輸出電路。該反相器電性連接於一第一供應電源以及一第一接地面之間，用以接收一第一訊號，並根據該第一訊號，產生一第二訊號。該第一訊號與該第二訊號彼此反相。該輸出電路電性連接於一第二供應電源以及一第二接地面之間，用以接收該第一訊號以及該第二訊號，並用以根據該第一訊號以及該第二訊號，產生一第三訊號。該第一供應電源提供的一第一供應電壓準位與該第二供應電源提供的一第二供應電壓準位不同，且該第一接地面與該第二接地面彼此不同。

本發明的另一態樣涉及一種晶片。根據本發明一實施例，該晶片包括一核心電路以及一周邊電路。該核心電路包括一反相器。該反相器電性連接於一核心供應電源以及一第一接地面之間，其中該反相器用以接收一第一訊號，並用以根據該第一訊號，產生一第二訊號。該第一訊號與該第二訊號彼此反相。該周邊電路透過一第一訊號線以及一第二訊號線電性連接該核心電路。該周邊電路包括一輸出電路。該輸出電路電性連接於一周邊供應電源以及一第二接地面之間。該輸出電路用以分別透過該第一訊號線以及該第二訊號線接收來自該核心電路的該第一訊號以及該第二訊號，並用以根據該第一訊號以及該第二訊號產生一第三訊號。該核心供應電源提供的一核心供應電壓準位與該周邊供應電源提供的一周邊供應電壓準位不同，且該第一接地面與該第二接地面彼此不同。

透過利用本發明之實施例，可避免因反相器中的電子元件損毀，而導致電壓準位移位器失效。

100‧‧‧電路

110‧‧‧核心電路

112‧‧‧前級電路

114‧‧‧反相器

120‧‧‧周邊電路

122‧‧‧輸出電路

124‧‧‧靜電放電防護電路

126‧‧‧後級電路

130‧‧‧電源切斷單元

D1‧‧‧電源切斷二極體

D2‧‧‧電源切斷二極體

R1‧‧‧電阻

R2‧‧‧電阻

L1‧‧‧第一訊號線

L2‧‧‧第二訊號線

GS1‧‧‧第一接地面

GS2‧‧‧第二接地面

LVVSS‧‧‧第一接地電壓準位

HVVSS‧‧‧第二接地電壓準位

SR1‧‧‧第一供應電源

SR2‧‧‧第二供應電源

LVVDD‧‧‧第一供應電壓準位

HVVDD‧‧‧第二供應電壓準位

S1‧‧‧第一訊號

S2‧‧‧第二訊號

S3‧‧‧第三訊號

VLS‧‧‧電壓準位移位器

GND‧‧‧外部地

PD‧‧‧襯墊

SW‧‧‧開關

T1-T6‧‧‧電晶體

第1圖為根據本發明一實施例所繪示的具有電壓準位移位器的電路之示意圖；以及第2圖為根據本發明一實施例所繪示的電壓準位移位器之示意圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

關於本文中所使用之方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本創作。

關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

關於本文中所使用之『及/或』，係包括所述事物的任一或全部組合。

關於本文中所使用之用語『大致』、『約』等，係用以修飾任何可些微變化的數量或誤差，但這種些微變化或誤差並不會改變其本質。一般而言，此類用語所修飾的些微變化或誤差之範圍在部份實施例中可為20%，在部份實施例中可為10%，在部份實施例中可為5%或是其他數值。本領域技術人員應當瞭解，前述提及的數值可依實際需求而調整，並不以此為限。

關於本文中所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

本發明其中一個實施態樣關係到一種具有電壓準位移位器的電路。在一些實施例中，此一電路可用晶片實現。為使敘述易於了解，以下將以晶片為例進行說明，然本案不以下述實施例為限。

第1圖為根據本發明一實施例所繪示的電路100之示意圖。在本實施例中，電路100包括核心電路110以及周邊電路120。在本實施例中，核心電路110以及周邊電路120係透過第一訊號線L1與第二訊號線L2彼此電性連接。在本實施例中，核心電路110可根據第一供應電源 SR1(又稱核心供應電源)所提供的第一供應電壓準位LVVDD(又稱核心供應電壓準位)進行運作，且核心電路110電性連接第一接地面GS1。周邊電路120可根據第二供應電源SR2(又稱周邊供應電源)所提供的第二供應電壓準位HVVDD(又稱周邊供應電壓準位)進行運作，且周邊電路120電性連接第二接地面GS2。第一接地面GS1與第二接地面GS2彼此不同。在一實施例中，第一接地面GS1是設置於核心電路110中，第二接地面GS2是設置於周邊電路120中。

在本實施例中，第一供應電壓準位LVVDD與第二供應電壓準位HVVDD可彼此不同。例如，第一供應電壓準位LVVDD可為1.8伏特，第二供應電壓準位HVVDD可為3.3伏特。

在本實施例中，第一接地面GS1的第一接地電壓準位LVVSS與第二接地面GS2的第二接地電壓準位HVVSS大致相同(例如，皆為0伏特)。然而，第一接地面GS1與第二接地面GS2不直接電性接觸。在一實施例中，第一接地面GS1與第二接地面GS2之間可透過電源切斷單元(power cut unit)130彼此電性連接，以令第一接地面GS1與第二接地面GS2中的電荷(例如靜電荷)無法直接大量且快速地彼此流通。

在本實施例中，核心電路110可用以進行電路100的內部運算，周邊電路120可用以根據核心電路110的運算結果，提供訊號至電性連接於電路100的外界電路。

在本實施例中，核心電路110包括前級電路112以及反相器(inverter)114。前級電路112電性連接於第一供應電源SR1與第一接地面GS1之間，並電性連接反相器114。反相器114電性連接於第一供應電源SR1與第一接地面GS1之間。更進一步來說，核心電路110可透過前級電路112進行電路100的內部運算。

在本實施例中，周邊電路120包括輸出電路122、靜電放電防護電路124、後級電路126、襯墊(pad)PD以及開關SW。輸出電路122電性連接後級電路126，且輸出電路122電性連接於第二供應電源SR2與第二接地面GS2之間。靜電放電防護電路124電性連接後級電路126與第二接地面GS2，並透過襯墊PD以及開關SW電性連接電路100的外部地GND。靜電放電防護電路124可用以將後級電路126與第二接地面GS2上的電荷釋放至電路100的外部地GND。後級電路126電性連接第二供應電源SR2、靜電放電防護電路124與第二接地面GS2。

在本實施例中，電源切斷單元130包括電源切斷二極體(power cut diode)D1、D2以及電阻R1、R2。電源切斷二極體D1的陽極端電性連接電源切斷二極體D2的陰極端，並可透過電阻R1電性連接第一接地面GS1。電源切斷二極體D1的陰極端電性連接電源切斷二極體D2的陽極端，並可透過電阻R2電性連接第二接地面GS2。在一實施例中，電阻R1、R2可為第一接地面GS1與第二接地面GS2之間的線阻。在一實施例中，電阻R1、R2可適應性省略。再者，在一些不同的實施例中，電源切斷單元130可僅包括電源切斷二極體D1、D2中的一者。藉由電源切斷二極體D1、D2以及電阻R1、R2的設置，即可使第一接地面GS1與第二接地面GS2中的電荷(例如靜電荷)無法直接大量且快速地彼此流通。

在本實施例中，反相器114與輸出電路122可構成電壓準位移位器(voltage level shifter)VLS。利用電壓準位移位器VLS，可將來自前級電路112、並可操作於第一供應電壓準位LVVDD與第一接地電壓準位LVVSS之間的第一訊號S1，轉換為提供至後級電路126、並可操作於第二供應電壓準位HVVDD與第二接地電壓準位HVVSS之間的第三訊號S3。舉例而言，電壓準位移位器VLS可將操作於0-1.8V之間的第一訊號S1轉換為操作於0-3.3V之間的第三訊號S3。

具體來說，前級電路112可產生並提供第一訊號S1至反相器114及輸出電路122。反相器114接收第一訊號S1，並根據第一訊號S1、第一供應電壓準位LVVDD與第一接地電壓準位LVVSS，將第一訊號S1進行反相，以產生第二訊號S2，其中，第二訊號S2與第一訊號S1彼此反相。而後，反相器114可提供第二訊號S2至輸出電路122。其中，第二訊號S2可操作於第一供應電壓準位LVVDD與第一接地電壓準位LVVSS之間。

輸出電路122可用以透過第一訊號線L1接收第一訊號S1，並用以透過第二訊號線L2接收第二訊號S2。而後，輸出電路122可用以根據第一訊號S1、第二訊號S2、第二供應電壓準位HVVDD與第二接地電壓準位HVVSS 產生第三訊號S3至後級電路126，以令後級電路126可根據第三訊號S3進行相應的操作。

在本實施例中，第三訊號S3與第一訊號S1的邏輯狀態相同而電壓準位可不同。舉例而言，在第一訊號S1具有第一供應電壓準位LVVDD(例如是1.8V)(即邏輯狀態為「邏輯1」)的情況下，第三訊號S3具有第二供應電壓準位HVVDD(例如是3.3V)(即邏輯狀態為「邏輯1」)。在第一訊號S1具有第一接地電壓準位LVVSS(例如是0V)(即邏輯狀態為「邏輯0」)的情況下，第三訊號S3具有第二接地電壓準位HVVSS(例如是0V)(即邏輯狀態為「邏輯0」)。

透過上述的設置，具有電壓準位移位器VLS的電路100即可實現。

在一比較例中，電壓準位移位器的反相器是設置在周邊電路中，且反相器的接地端是電性連接周邊電路的第二接地面GS2，此時反相器透過周邊電路的第二接地面GS2和電源切斷單元130而耦接前級電路112。如此一來，在第一接地面有大量靜電荷累積而第二接地面GS2無靜電荷累積時，可能會導致第一接地面GS1與第二接地面GS2之間有電位的差異，因此造成反相器中低耐壓的電子元件損毀，並導致電壓準位移位器失效。

相對地，在本發明的實施例中，由於電壓準位移位器VLS的反相器114是設置在核心電路110中，且反相器114的接地端是電性連接核心電路110的第一接地面GS1，其與前級電路112所電性連接的第一接地面GS1相同(即不透過電源切斷單元130耦接前級電路112)，故即便在第一接地面GS1上有大量靜電荷累積時，釋放的電流也不易造成反相器114中低耐壓的電子元件損毀，而可有效避免電壓準位移位器VLS失效。

舉例而言，在對本發明實施例中的電路100進行充電器件模型(charge device model，CDM)測試時，會在開關SW為斷路狀態的情況下，使第一接地面GS1與第二接地面GS2充滿靜電荷。接著，可導通開關SW以使第二接地面GS2中的靜電荷經由襯墊PD與開關SW釋放至外部地GND。此時，第一接地面GS1中的靜電荷經由反相器114以及輸出電路122緩慢流入第二接地面GS2，由於反相器114位於核心電路110中，可避免前述因為第一接地面GS1與第二接地面GS2之間有電位的差異，因此造成反相器中低耐壓的電子元件損毀。如此一來，即可有效避免電壓準位移位器VLS失效。

另一方面，在另一實施例中，也可改善前述比較例，使設置在周邊電路中的電壓準位移位器的反相器的電子元件具有高耐壓，以有效避免電壓準位移位器VLS失效。

為使說明易於了解，以下將搭配第2圖中實施例，提供本發明實施例更具體的細節，然而本發明不以下述實施例為限。

在本實施例中，反相器114包括電晶體T1、T2。電晶體T1、T2的閘極端電性連接前級電路112，可用以接收第一訊號S1。電晶體T1的第一端可電性連接第一供應電源SR1。電晶體T1的第二端可電性連接電晶體T2的第一端以及第二訊號線L2。電晶體T2的第二端可電性連接第一接地面GS1。

在本實施例中，輸出電路122包括電晶體T3-T6。電晶體T3的閘極端電性連接第一訊號線L1，並可用以接收第一訊號S1。電晶體T3的第一端可電性連接電晶體T5的第二端以及電晶體T6的閘極端。電晶體T3的第二端可電性連接第二接地面GS2。電晶體T4的閘極端可電性連接第二訊號線L2，並用以接收第二訊號S2。電晶體T4的第一端可電性連接電晶體T6的第二端、電晶體T5的閘極端以及後級電路126。電晶體T4的第二端可電性連接第二接地面GS2。電晶體T5、T6的第一端可電性連接第二供應電源SR2。

在本實施例中，電晶體T1、T5、T6可為P型電晶體，且電晶體T2-T4可為N型電晶體，然本案不以此為限。本領域人士當可輕易將N型電晶體改為P型電晶體，並將P型電晶體改為N型電晶體。

另外，在本實施例中，電晶體T1、T2可用低耐壓的電晶體實現，電晶體T3-T6可用高耐壓的電晶體實現，然本案不以此為限。

在一操作例中，在第一訊號S1的邏輯狀態例如為「邏輯1」時(此時第一訊號S1可具有第一供應電壓準位LVVDD)，電晶體T1關斷且電晶體T2導通，以使得具有第一接地電壓準位LVVSS的第二訊號S2(此時邏輯狀態例如為「邏輯0」)提供至輸出電路122。此時，電晶體T3可根據具有第一供應電壓準位LVVDD的第一訊號S1而導通，以提供第二接地電壓準位HVVSS至電晶體T6的閘極端，以導通電晶體T6，並使得具有第二供應電壓準位HVVDD的第三訊號S3(此時邏輯狀態例如為「邏輯1」)提供至後級電路126。同時，電晶體T4可根據具有第一接地電壓準位LVVSS的第二訊號S2而關斷，且電晶體T5可根據具有第二供應電壓準位HVVDD的第三訊號S3而關斷，如此一來，即可將第一供應電壓準位LVVDD(例如1.8伏特)轉換成第二供應電壓準位HVVDD(例如3.3伏特)以供後級電路126操作。

另外，在第一訊號S1的邏輯狀態例如為「邏輯0」時(此時第一訊號S1可具有第一接地電壓準位LVVSS)，電晶體T2關斷且電晶體T1導通，以使得具有第一供應電壓準位LVVDD的第二訊號S2(此時邏輯狀態例如為「邏輯1」)提供至輸出電路122。此時，電晶體T4可根據具有第一供應電壓準位LVVDD的第二訊號S2而導通，以使得具有第二接地電壓準位HVVSS的第三訊號S3(此時邏輯狀態例如為「邏輯0」)提供至後級電路126。同時，電晶體T3可根據具有第一接地電壓準位LVVSS的第一訊號S1而關斷，電晶體T5可根據具有第二接地電壓準位HVVSS的第三訊號S3而導通，以提供第二供應電壓準位HVVDD至電晶體T6的閘極端，使得電晶體T6可根據第二供應電壓準位HVVDD而關斷。

透過上述的設置，即便第一接地面GS1上有大量電荷累積，由於反向器即耦接第一接地面GS1，故可避免電晶體(例如電晶體T2)損毀，以避免電壓準位移位器VLS失效。

在一些實施例中，第一訊號S1、第二訊號S2的電壓準位可隨實際情況操作於第一接地電壓準位LVVSS與第一供應電壓準位LVVDD之間的數值(例如1.3V)，且第三訊號S3的電壓準位可隨實際情況操作於第二接地電壓準位HVVSS與第二供應電壓準位HVVDD之間的數值(例如2.7V)，故本案不以上述實施例為限。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。