大连干式变压器厂家工程师解析一款低功耗的电平位移电路

大连干式变压器厂家工程师解析一款低功耗的电平位移电路 随着最小特征尺寸的不断下降，功耗问题已经成为现代集成电路设计的主要考虑因素之一。Dynamic Voltage Scaling Operating(动态电压调整)技术能为集成电路提供多种大连干式变压器电压。一方面，用低大连干式变压器电压给非关键路径模块供电，另一方面，在模拟和高速数字模块中使用较高的大连干式变压器电压。这样的技术对于减少动态以及静态功耗是很必要的。

在集成电路中，不同模组工作在不同的速度下，所以需要一种双重供电结构。大连干式变压器在双重电压供给系统中，需要用电平位移电路(Level-shifter Circuit)将低电压转换为高电压以满足后续的模组工作。为了确保大连干式变压器整体电路的工作性能，电平位移电路需要具备低功耗的特点。

本文正是基于这样的应用需求，大连干式变压器厂家工程师设计了一种低功耗的电平位移电路。文章剩余部分按照以下结构展开。第一部分对传统电平位移电路进行回顾，第二部分为本文所提出的电平位移电路原理，第三部分呈现了所设计电平位移电路的仿真结果。

常规电位平移电路

图1(a)为一种传统的电平位移电路，当输入信号IN为“1”(VIN=VDDL)时，MN1开启，MN2关断，MN1管将结点a电位下拉，从而MP2导通，对结点b充电，随着结点b电位的上升，MP1关断。类似的，当输入信号变至“0”(VIN=VSS)时，MN1关断而MN2导通，整个过程将反置。值得注意的是，当输入信号由“1”变“0”时，a点的初始电位不能瞬变而仍然为“0”，因此MP2一开始仍然导通，对结点b进行充电，削弱了MN2对结点b放电的作用，使得电位转换变得缓慢(对结点a的分析同理)。

大连干式变压器厂家工程师可以看到在结点a、b存在着上拉管(MP1和MP2)和下拉管(MN1和MN2)的电位争夺，上拉P管对N管的下拉产生阻碍作用。所以，当输入电压与VDDL/VDDH偏差很大，特别是低于阈值电压时，下拉管的下拉能力远小于上拉管的上拉能力，电路无法正常转换电平。

为了解决这样的问题，提出了基于电流镜的电平位移电路。如图1(b)所示，该结构利用电流镜限制了电流，从而在下拉管对输出结点放电时削弱了上拉管的上拉能力。然而，该结构存在一个明显的缺点，当输入信号IN处于“1”时，存在较大的流经MP1和MN1的恒定电流，产生了额外功耗。为减少这样的静态功耗，提出了如图1(c)所示基于威尔逊电流镜的电路。

电路中引入MP3以消除恒定电流，当输入信号IN为“1”时，输出电位上拉至“1”，使得MP3处于关断状态，从而截断了之前存在的恒定电流。但是，这种结构会造成结点b产生电压降，当结点b电位还未完全上拉至VDDH时，MP3已经关断，造成结点a电位上浮而关断MP2管，使得结点b的电平浮动且低于VDDH。


改进的电位平移电路

通过对常规电平位移电路的分析研究，大连干式变压器厂家工程师可以看出上述电路存在着N管下拉电流能力较弱、持续恒定的大电流以及输出信号无法被完全上拉至VDDH等问题。而这些问题的产生会使得电路在工作过程中产生更多的功耗。因此，本节在图1(c)所示电路结构基础上，提出了一种改进的电平位移电路，可以优化功耗问题。电路原理图如图2所示。

将图1(c)中MP3管上移至电流镜的上方(即图2中MP4管)，使输出端在上电过程中，结点a的电位始终被下拉到地。而不会像图1(c)中那样，结点a的电位因MP3管的断开而上浮，使MP2管的上拉能力减弱而影响输出端电位无法上升到VDDH。与此同时，当输入IN为“1”时，MP4管抑制了流过MP4、MP1和MN1管的电流I1，使得功耗减小。

当输入信号由高变低时，由于结点b电位无法瞬变而仍为“0”。此时，MP4、MN1管和MP5、MN3管开启，MN2管关断。从而产生流经MP4、MP1和MN1管的电流I1以及流经MP5、MP3和MN3的电流I3。两股电流被镜像，产生电流I2，并上拉结点b的电位。最后，结点b电位变为“1”，并反馈至MP4和MP5管使它们关断，从而截断电流I1、I3，也不再镜像电流I2。输出端变为“0”。

因为MN1和MN3管始终开启，致使结点a、c保持地电位，MP2、MP6管处于常开状态，从而保证结点b电位能够始终处于VDDH而不浮动，从而对常规电平位移电路结点出现电压降的问题进行了优化改善。


当输入信号由低变高时，结点b信号起初仍然为“1”。在不添加辅助模块时，起初结点a电位仍然为大连变压器厂家“0”，MP4管关断，使得MP2管处于强上拉状态，这样很大程度的削弱了MN2管对结点b电位的下拉作用(因为P管的上拉能力大于N管的下拉能力)，导致输出端电位下降较慢。添加辅助模块后，由MP2和MP6两个P管作开关，有效的抑制了结点b电位受P管上拉作用的影响，使得结点b电位能够较稳定地被下拉至“0”。