CN117097324B - 一种电平转移电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种电平转移电路，其包括第一反相器，用于接入输入信号，得到反相信号；第一差分对，第一差分对的输入端口分别连接输入信号和反相信号；第一差分对的输出端口分别经第一高压隔断器件和第二高压隔断器件连接有第二差分对；第二差分对的输出端口经第三高压隔断器件反相输出，得到输出信号。本申请具有实现前后级不同地电位的信号传递，能够适用更广泛的应用场景，同时，电路结构简单，延迟较小，速度较快，电路动作时消耗的电流较少，降低前后级不同地电平的电平转移电路的功耗的效果。

Description

一种电平转移电路

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，尤其是涉及一种电平转移电路。

背景技术

一块芯片常设计有多个电源，其内部电路也被划分为多个电源域，这样可满足混合信号芯片中数字电路和模块电路的不同电源需求。为了使逻辑信号能够在不同电压域传输，需要电平转移电路，实现不同电源电位的电平转移。常见的低压转高压的电平转移电路，输入信号和输出信号的地电位是相同的，即前后级地引脚只有一个。

如SiC驱动芯片中，需要把MCU输出的以0电平为地电位的信号，传输到以负电源为地电位的电压域，即SiC驱动芯片需要两个不同的地引脚，对于前后级地电位不同的信号传递，传统的电平转移电路无法适用。

再者，采用电流镜方式虽能在不同电源阈之间传递信号，但SiC驱动芯片要求传输延迟尽可能小，而电流镜速度较慢，则需增大电流以提高速度，此时功耗也会相应增大。

发明内容

为了在低功耗的同时能满足前后级不同地电位的信号传递，本申请提供了一种电平转移电路。

第一方面，本申请提供一种电平转移电路。

本申请是通过以下技术方案得以实现的：

一种电平转移电路，应用于前后级分别包含第一地电平和第二地电平的信号传递，包括：

第一反相器，用于接入输入信号，得到反相信号；

第一差分对，所述第一差分对的输入端口分别连接所述输入信号和所述反相信号；

所述第一差分对的输出端口分别经第一高压隔断器件和第二高压隔断器件连接有第二差分对；

所述第二差分对的输出端口经第三高压隔断器件反相输出，得到输出信号。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：当第一电压大于第二电压，且所述第一地电平的信号幅值高于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一差分对的输入端、所述第一反相器的电源端均连接所述第一电压，所述第一反相器的接地端连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的输出端分别连接所述第二差分对的输入端；

所述第二差分对的控制端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二电压，所述第二差分对的一输出端连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二电压。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：当第一电压小于第二电压，所述第一地电平的信号幅值低于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一反相器的电源端连接所述第一电压，所述第一差分对的输出端、所述第一反相器的接地端均连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的一输出端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二差分对的控制端；

所述第二差分对的一输入端连接所述第二电压，所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二地电平。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：当所述第二电压的电源域为非负电源时，将所述第一地电平和所述第二地电平所在的导线短接。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一高压隔断器件、所述第二高压隔断器件和所述第三高压隔断器件为MOS管。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一差分对包括一对源极耦合的MOS管。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二差分对包括一对源极耦合的MOS管。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一反相器为非门。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第三高压隔断器件的输出端还连接有用于推挽输出的第二反相器，以反相输出所述输出信号。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二反相器包括一对PMOS管和NMOS管。

第二方面，本申请提供一种集成电路。

本申请是通过以下技术方案得以实现的：

一种集成电路，包括上述任意一种电平转移电路。

第三方面，本申请提供一种芯片。

本申请是通过以下技术方案得以实现的：

一种芯片，包括集成电路，所述集成电路包括上述任意一种电平转移电路。

综上所述，与现有技术相比，本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

因电路中前后级传递的信号的地电平不同，栅源耐压较低，导致前级的电源域和后级的地电平之间的压差较高，通过第一高压隔断器件和第二高压隔断器件改善了第二差分对的栅极电压过高的情况，起到屏蔽高压的作用，通过第三高压隔断器件改善了第二反相器的栅极电压过高的情况，防范高压对元器件造成的损害，实现了前后级不同地电位的信号传递，能够适用更广泛的应用场景，同时，电路结构简单，输入信号仅经两级输出，延迟较小，速度较快，电路动作时消耗的电流较少，降低了前后级不同地电平的电平转移电路的功耗。

附图说明

图1为本申请一个示例性实施例提供的一种电平转移电路的整体结构框图。

图2为本申请又一个示例性实施例提供的一种电平转移电路的实现从高地电平信号转移到低地电平信号的电路连接关系示意图。

图3为本申请另一个示例性实施例提供的一种电平转移电路的实现从低地电平信号转移到高地电平信号的电路连接关系示意图。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参照图1，本申请实施例提供一种电平转移电路，包括：

第一反相器，用于接入输入信号，得到反相信号；

第一差分对，所述第一差分对的输入端口分别连接所述输入信号和所述反相信号；

所述第一差分对的输出端口分别经第一高压隔断器件和第二高压隔断器件连接有第二差分对；

所述第二差分对的输出端口经第三高压隔断器件反相输出，得到输出信号。

一般地，常见的低压VDD1到高压VDD2的电平转移电路，输入信号VIN通过反相器产生VIN的反相信号，VIN和其反相信号输入一差分对，再通过另一差分对输出，经过另一个反相器，输出电平转移电路的输出信号VOUT，此电路的输入信号VIN和输出信号VOUT的地电位是相同的，如都是GND1。该电路中，反相器采用低压器件，其余部分采用高压器件。低压信号的高电平VDD1只要高于高压器件的阈值电压Vth，就可以打开和关闭高压器件，同时高压也不会施加到低压器件上而引起器件损坏。

为了适用于前后级地电平不同的情况，因前级的电源域和后级的地电平之间的压差较高，而栅源耐压较低，本申请通过第一高压隔断器件和第二高压隔断器件连接第二差分对，起到屏蔽高压的作用，通过第三高压隔断器件改善了第二反相器的栅极电压过高的情况，防范高压对元器件造成的损害，以实现前后级不同地电位的信号传递。

差分对可以是一对发射极/源极耦合晶体管。差分对也可以是一对印刷电路板(PCB)走线、一对双绞线或一对共用绝缘和屏蔽的并行线(Twin-axial电缆)。

第一高压隔断器件、第二高压隔断器件和第三高压隔断器件起到屏蔽高压的作用。

在一实施例中，所述第一差分对、所述第二差分对均包括一对源极耦合的MOS管。

在一实施例中，所述第一高压隔断器件、所述第二高压隔断器件和所述第三高压隔断器件为MOS管。

在一实施例中，所述第一反相器为非门，用于实现逻辑非功能，可以仅用一个NMOS晶体管或一个PMOS晶体管连接一个电阻来构建，实现简单，成本低。

下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。

在一实施例中，当第一电压大于第二电压，且所述第一地电平的信号幅值高于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一差分对的输入端、所述第一反相器的电源端均连接所述第一电压，所述第一反相器的接地端连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的输出端分别连接所述第二差分对的输入端；

所述第二差分对的控制端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二电压，所述第二差分对的一输出端连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二电压。

具体地，参照图2，为了实现从较高的地电平信号转移到较低的地电平信号，第一反相器的电源端连接第一电压VDD1，第一反相器的接地端连接第一地电平GND1，将输入信号VIN输入第一反相器，得到反相信号。

本实施例中，第一差分对包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，第二差分对包括第三MOS管M3和第四MOS管M4，第一高压隔断器件为第五MOS管M5，第二高压隔断器件为第六MOS管M6，第三高压隔断器件为第七MOS管M7。

第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的漏极均连接第一电压VDD1，第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极分别连接第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极，将反相信号和输入信号VIN分别输入第一MOS管M1的栅极和第二MOS管M2的栅极。

第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极分别与第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极连接。

第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极分别经第六MOS管M6和第五MOS管M5连接第二电压VDD2，第五MOS管M5的源极与第四MOS管M4的栅极连接，第六MOS管M6的源极与第三MOS管M3的栅极连接。

第五MOS管M5的漏极与第一MOS管M1的源极连接，第六MOS管M6的漏极与第二MOS管M2的源极连接。

例如，假设VDD1＝5V，GND1＝0V，VDD2＝-5V，GND2＝-10V。

通常的LDMOS，EDMOS等高压器件允许源漏电压较高，但是栅源耐压并不高。

若采用只有一个地引脚的传统电平转移电路结构，第三MOS管M3和第四MOS管M4形成交叉耦合连接，即第四MOS管M4的栅极连接第三MOS管M3的漏极，第三MOS管M3的栅极连接第四MOS管M4的漏极。当第一MOS管M1导通时，第四MOS管M4的栅极电压将接近VDD1＝5V，第四MOS管M4的源极电压GND2＝-10V。第四MOS管M4的栅源电压15V电压明显大于第四MOS管M4的栅源电压耐压值，则第四MOS管M4的栅极将被击穿，导致第四MOS管M4器件损坏。

而本申请在第一MOS管M1和第四MOS管M4之间加上第五MOS管M5，当第一MOS管M1的漏极电压低于VDD2-Vth时，第五MOS管M5导通，第四MOS管M4的栅压接近第一MOS管M1的漏压，当第一MOS管M1的漏压上升达到VDD2-Vth时，第五MOS管M5被截止，此时第一MOS管M1的漏压可以继续上升，直至接近VDD1，但第四MOS管M4的栅压保持在VDD2-Vth，远低于栅源电压耐压值，这使得第四MOS管M4的栅极得到了保护。

第六MOS管M6的用法与第五MOS管M5类似，在此不再赘述。

电路要防范的是VDD1和GND2之间形成的高压对器件可能的损害。因此用了三个器件M5，M6和M7保护连接GND2的M3，M4和M9。

进一步地，所述第三高压隔断器件的输出端还连接有用于推挽输出的第二反相器，以反相输出所述输出信号。第二反相器包括一对PMOS管和NMOS管，以提高输出能力，且其没有使用上拉电阻，电路的功耗更低。

本实施例中，第二反相器包括第八MOS管M8和第九MOS管M9。

第一差分对的源极与第二差分对的漏极之间经第七MOS管M7连接第八MOS管M8的栅极和第九MOS管M9的栅极，第七MOS管M7的漏极连接于第二MOS管M2的源极与第四MOS管M4的漏极之间，第七MOS管M7的源极连接于第八MOS管M8的栅极和第九MOS管M9的栅极之间，第七MOS管M7的栅极和第八MOS管M8的漏极连接第一电压VDD2。

第八MOS管M8的栅极连接第九MOS管M9的栅极，第八MOS管M8的源极连接第九MOS管M9的漏极。

第三MOS管M3的源极、第四MOS管M4的源极和第九MOS管M9的源极连接第二地电平GND2。

在第八MOS管M8的源极和第九MOS管M9的漏极之间得到输出信号VOUT。

因第二MOS管的漏极也会升高至接近VDD1，与第五MOS管M5的用法类似，本申请采用第七MOS管M7挡住高压，保护第九MOS管M9的栅极，甚至第八MOS管M8的栅极。

进一步地，当第一电压大于第二电压且第二电压的电源域为非负电源时，将第一地电平GND1和第二地电平GND2所在的导线短接，应用于没有负电源的电路中，能够适用更广泛的应用场景。

在一实施例中，当第一电压小于第二电压，所述第一地电平的信号幅值低于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一反相器的电源端连接所述第一电压，所述第一差分对的输出端、所述第一反相器的接地端均连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的一输出端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二差分对的控制端；

所述第二差分对的一输入端连接所述第二电压，所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二地电平。

具体地，参照图3，为了实现从较低的地电平信号转移到较高的地电平信号，第一反相器的电源端连接第一电压VDD1，第一反相器的接地端连接第一地电平GND1，将输入信号VIN输入第一反相器，得到反相信号。

第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的漏极分别连接第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极，第一MOS管M1的源极和第二MOS管M2的源极连接第一地电平GND1，将反相信号和输入信号VIN分别输入第一MOS管M1的栅极和第二MOS管M2的栅极。

第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的漏极分别经第五MOS管M5和第六MOS管M6连接第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极，第五MOS管M5的漏极连接第一MOS管M1的漏极，第五MOS管M5的源极与第四MOS管M4的栅极连接，第六MOS管M6的漏极连接第二MOS管M2的漏极，第六MOS管M6的源极与第三MOS管M3的栅极连接，第五MOS管M5的栅极和第六MOS管M6的栅极连接第二地电平GND2。

第三MOS管M3的漏极和第四MOS管M4的漏极连接第二电压VDD2，第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极分别与第一MOS管M1的漏极和第二MOS管M2的漏极连接。

进一步地，第一差分对的源极与第二差分对的漏极之间经第七MOS管M7连接第八MOS管M8的栅极和第九MOS管M9的栅极，第七MOS管M7的漏极连接于第二MOS管M2的漏极与第四MOS管M4的源极之间，第七MOS管M7的源极连接于第八MOS管M8的栅极和第九MOS管M9的栅极之间，第七MOS管M7的栅极连接第二地电平GND2。

第八MOS管M8的栅极连接第九MOS管M9的栅极，第八MOS管M8的漏极连接第二电压VDD2，第八MOS管M8的源极连接第九MOS管M9的漏极，第九MOS管M9的源极连接第二地电平GND2。

在第八MOS管M8的源极和第九MOS管M9的漏极之间得到输出信号VOUT。

综上所述，一种电平转移电路的输入信号VIN经过第二MOS管M2/第四MOS管M4一级输出，再经过第八MOS管M8/第九MOS管M9二级输出。

因电路中前后级传递的信号的地电平不同，栅源耐压较低，导致前级的电源域和后级的地电平之间的压差较高，通过第一高压隔断器件和第二高压隔断器件改善了第二差分对的栅极电压过高的情况，起到屏蔽高压的作用，第五MOS管M5和第六MOS管M6避免了第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极电压过高的情况；通过第三高压隔断器件改善了第二反相器的栅极电压过高的情况，第七MOS管M7避免了第九MOS管M9的栅极电压过高的情况，防范高压对元器件造成的损害，实现了前后级不同地电位的信号传递，能够适用更广泛的应用场景，同时，电路结构简单，输入信号仅经两级输出，延迟较小，速度较快，电路动作时消耗的电流较少，降低了前后级不同地电平的电平转移电路的功耗。

当第一电压大于第二电压且第二电压的电源域为非负电源时，将第一地电平GND1和第二地电平GND2所在的导线短接，应用于没有负电源的电路中，进一步增强适用性。

进一步地，在第三高压隔断器件的输出端设计用于推挽输出的第二反相器，反相输出信号，以提高电路的输出能力，且电路的功耗低。

相比于采用电流镜的电路，本申请的电平转移电路因没有电流镜，电路的功耗只与输入信号频率有关，整个电路没有静态电流，极大降低了前后级不同地电平的电平转移电路的功耗，功耗效率更高，能够满足快速、低功耗的应用需求。

上述一种电平转移电路中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。

在一个实施例中，提供了一种集成电路，包括上述任意一种电平转移电路。

在一个实施例中，提供了一种芯片，包括集成电路，该集成电路包括上述任意一种电平转移电路。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述系统的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

Claims (10)

1.一种电平转移电路，其特征在于，应用于前后级分别包含第一地电平和第二地电平的信号传递，包括：

第一反相器，用于接入输入信号，得到反相信号；

第一差分对，所述第一差分对的输入端口分别连接所述输入信号和所述反相信号；

所述第一差分对的输出端口分别经第一高压隔断器件和第二高压隔断器件连接有第二差分对；

所述第二差分对的输出端口经第三高压隔断器件反相输出，得到输出信号；

当第一电压大于第二电压，且所述第一地电平的信号幅值高于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一差分对的输入端、所述第一反相器的电源端均连接所述第一电压，所述第一反相器的接地端连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的输出端分别连接所述第二差分对的输入端；

所述第二差分对的控制端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二电压，所述第二差分对的一输出端连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二电压；

当第一电压小于第二电压，所述第一地电平的信号幅值低于所述第二地电平的信号幅值时，所述第一反相器的电源端连接所述第一电压，所述第一差分对的输出端、所述第一反相器的接地端均连接所述第一地电平；

所述第一差分对的控制端分别连接所述输入信号和所述反相信号，所述第一差分对的一输出端分别经所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二差分对的控制端；

所述第二差分对的一输入端连接所述第二电压，所述第一高压隔断器件和所述第二高压隔断器件连接所述第二地电平；

所述第二差分对的输出端经所述第三高压隔断器件反相输出；

所述第三高压隔断器件的控制端连接所述第二地电平。

2.根据权利要求1所述的电平转移电路，其特征在于，当所述第二电压的电源域为非负电源时，将所述第一地电平和所述第二地电平所在的导线短接。

3.根据权利要求1所述的电平转移电路，其特征在于，所述第一高压隔断器件、所述第二高压隔断器件和所述第三高压隔断器件为MOS管。

4.根据权利要求1所述的电平转移电路，其特征在于，所述第一差分对包括一对源极耦合的MOS管。

5.根据权利要求1所述的电平转移电路，其特征在于，所述第二差分对包括一对源极耦合的MOS管。

6.根据权利要求1所述的电平转移电路，其特征在于，所述第一反相器为非门。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的电平转移电路，其特征在于，所述第三高压隔断器件的输出端还连接有用于推挽输出的第二反相器，以反相输出所述输出信号。

8.根据权利要求7所述的电平转移电路，其特征在于，所述第二反相器包括一对PMOS管和NMOS管。

9.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的电平转移电路。

10.一种芯片，包括集成电路，其特征在于，所述集成电路包括权利要求1至8任意一项所述的电平转移电路。