[发明专利]一种新型电平移位器电路

说明书

本发明公开了一种新型电平移位器电路，包括输入反相器、输出反相器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管；其中，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管构成虚拟电流镜；第四PMOS管、第五PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管构成辅助电流镜；优点是虚拟电流镜能够将输出反相器输入端充电到高压区电压幅值，消除输出反相器输入端上的电压降问题，减少输出反相器上存在的静态功耗；辅助电流镜能够辅助输出反相器输入端电荷泄放到地电位；实验证明，在SMIC 40nm工艺下，在低压输入信号为0.3V，高压输出信号为1.1V时，本发明电平移位器能够相比传统电流镜结构降低89倍静态功耗。

技术领域

本发明涉及一种新型电平移位器电路。

背景技术

在SoC设计中，通常可以看到系统中含有两个或者多个电压域。为了确保在复杂的电压域划分下系统工作的可靠性，需要一款鲁棒性极高，电压转化范围广泛的电平移位器(Level shifter)，并负责将多个电压域之间的信号进行转化。当低压区电平处在亚阈值范围(<0.4V)时，将亚阈值信号转化到标准的工作电压将会遇到许多挑战。

根据电平移位器采用的拓扑结构，电平移位器可以分为差分互补结构和电流镜结构。其中，差分互补结构在输入低压信号处在亚阈值电平范围时将会出现转化失效的问题。目前，电流镜结构电平移位器因为能够成功将亚阈值信号转化到高电平信号，已受到业界广泛关注。传统的基于电流镜结构的电平移位器的示意图如图1所示。该结构包含低压区反相器I1，输出端反相器I2、I3，NMOS管MN1和MN2，PMOS管MP1、MP2和MP3。图中，低压区电压VDDL和高压区电压VDDH分属于两个不同的电压域。传统电平移位器结构中，输入信号IN为低压区信号，其最高电平幅度为VDDL。输入信号IN经过反相器I1之后得到IN的互补信号INL，INL具有和IN相反的逻辑值。连接关系上，MN1、MN2、MP1、MP2和MP3构成电流镜结构。MN1和MP3、MP1所在的支路称为电流镜的源电流支路，而MN2和MP2所在支路称为电流镜的镜像电流支路。当源电流支路存在源电流时，电流镜的镜像电流支路将产生镜像电流，而当源电流支路没有源电流时，镜像电流支路也将失去镜像电流。其中，源电流支路的MP3将额外起到截断待机电流，降低待机功耗的目的。传统电流镜结构的电平移位器具体工作方式如下：

当输入信号IN为逻辑0时，MN1截止，电流镜的源电流被截断，因此镜像电流也被截断。此时，IN的互补信号INL为逻辑1。由于不存在镜像电流通过MP2对节点A进行充电，节点A将会受到MN2的泄放作用，而逐步泄放到地电位。随后，再经过I2和I3所在两级反相器输出后，将得到处在地电位的输出信号Z；当输入信号IN为逻辑1时，MN1导通，源电流和镜像电流都存在。由于IN的互补输入信号INL为逻辑0，MN2截止，镜像电流将完成对A点的充电。最终，节点A的电平将通过两级反相器输出到高电压输出Z上，且输出Z的电平幅值和高压区电压VDDH一致。