[发明专利]双电压亚阈值电平转换器

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种电平转换器(Level Shifter)。

背景技术

多电压阈(Multi-supply voltage domain)技术在片上芯片系统(System on chip, SoC)及多核计算结构中得到越来越广泛的应用。它通常将芯片划分成多个独立的电压阈或电压岛，每个电压阈下的模块根据其时序的要求工作在恰当的电源电压下。通常，对于时序关键的电压阈，它工作在高的电源电压下(VDDH)，以满足芯片对速度性能的要求；对于非关键的电压阈，它则工作在低的电源电压(VDDL)甚至亚阈值电源电压下，以降低芯片的功耗消耗和能量消耗。

电平转换器是多电压系统中一个必不可少的电路，它为各个不同的电压阈提供交互界面，保证信号在各个电压阈之间的传输。正常情况下，信号从高压阈转换到低压阈，普通的缓冲器(buffer)便可实现。但是，如果信号是从低压阈转换到高压阈，尤其是从亚阈值电压阈转换到高压阈，则需要更为复杂的电路。

传统的电平转换器如图1所示，它由一对交叉耦合的PMOS管，一对下拉NMOS管及提供差分输入的低压反相器构成。当输入IN从“0”跳变到VDDL时，M1管将节点OUTB电压下拉至“0”，再通过交叉耦合的PMOS对将输出OUT预充为高电平VDDH。由于低电压区工作的NMOS管提供的下拉电流，比高电压区工作的PMOS提供的上拉电流小几个数量级，导致上拉网络与下拉网络的竟争异常激烈，从而使得传统的电平转换器无法实现亚阈值信号的转换，并且产生很大的短路功耗。

2009年，B. Zhai 在杂志“IEEE Transaction on Very Large Scale Integration”中发表“Energy-efficient subthreshold processor design”，提出了一种多电源线的方法，实现了信号从0.2V到1.2V的转换。但是这种方法需要多个中间电源压，这会带来更多的功耗消耗，并且会增加芯片后端设计的复杂度。2010年，S. Lukemeier 在杂志“I EEE Transaction on Circuits and Systems II: Express Briefs ”中发表“A subthreshold to above-threshold level shifter comprising a Wilson current mirror ”，提出了一种采用威尔逊电流镜的电平转换电路，实现了输入信号从0.1V到1.0V的电平转换。但是，这种采用电流镜的方法消耗了大量的功耗。2012年，Y. Osaki在“IEEE journal of Solid-State Circuits(JSSC)”杂志上发表“A low-power level shifter with logic error correction for extremely low-voltage digital CMOS LSIs”，提出了一种带纠错功能的电平转换电路，实现了信号从0.23V到3V的电平转换，但是它是以牺牲芯片面积和速度性能为代价。针对这些问题，本发明提出了一种亚阈值电平转换器，它能有效的实现信号从亚阈值电压到正常工作电压的电平转换，并且它具有更快的速度，更低的能量消耗和更小的面积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种速度快、能耗低、面积小的亚阈值电平转换器。

本发明提供的亚阈值电平转换器，包括：

一个输入反相器；它的电源电压由低电压阈电源提供，并且它的输入与整个电平转换器的输入相连。