IO模塊中的寬輸入范圍耐壓結(jié)構(gòu)level-shift

**1 **應(yīng)用背景

板卡上的芯片需要相互通信，IO接口電平越豐富，芯片通用性越強(qiáng)。以28 nm工藝為例，IO device最高可耐1.98V，core device最高可耐1.0V，而IO電平需要同時(shí)滿足1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V, 3.3V，這就需要設(shè)計(jì)一款寬輸入電壓范圍耐壓結(jié)構(gòu)的IO模塊。

**2 **Widerange voltage translation

該專利介紹的是一種寬輸入范圍（1.2V~3.3V）的level-shift，為滿足如此寬的電壓輸入，將電路分成了兩種工作模式，一種是高壓模式（＞1.8V），一種是低壓工作模式（≤1.8V），兩種模式的切換是由BIAS GENERATION SEGMENT控制，下面我們分別介紹這兩種工作模式。

2.1 高壓模式（2.5V, 3.3V）

圖1給出了寬輸入level-shift高壓模式（2.5V, 3.3V）電路，圖中M14M15和M27M30為core device，最高工作電壓為0.925V，其他器件均為高壓管（IO device），最高工作電壓為1.89V，vtn和vtp分別為IO device n管和p管的閾值電壓，vcco為IO電源（1.2V3.3V）, vccint（0.65V0.925V）為芯片內(nèi)部數(shù)字邏輯電源，BIAS GENERATION SEGMENT中還有一個輔助（auxiliary）電源vccaux（本講不涉及此電源）。

整體電路(100)分為input receiving(112), stress minimization(110), contention minimization(114), feedback generation(116)以及BIAS GENERATION SEGMENT（102）。

其中BIAS GENERATION SEGMENT沒有給出具體電路，只給出了不同模式下的輸出電壓，如表1所示。高壓模式下pbias = vcco-1.8V, nbias = 1.8V, en1p8_vcco = vcco-1.8V, en1p8_aux = 0V，en1p8_b_vcco = vcco, vis = 1V，這些電位是用于保護(hù)IO device和core device。

圖1（a）標(biāo)注了初始時(shí)刻inp為高電平（vccint,≤0.925V，如圖2 T1時(shí)刻）時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電平（紅色字體），可見初始時(shí)刻所有device不存在耐壓問題。其中inp為low voltage domain（vccint）level-shift輸入，vout_p為high voltage domain（vcco）level-shift輸出，初始時(shí)刻inp為vccint，vout_p為vcco，完成了不同電壓domain高（inp）到高（vout_p）的轉(zhuǎn)換。

該結(jié)構(gòu)引入了input receiving(112), stress minimization(110), contention minimization(114)和feedback generation(116)等技術(shù)用于解決耐壓、速度、競爭等問題，專利中已經(jīng)描述的非常詳細(xì)，有興趣的可以仔細(xì)閱讀。其中M0和M1的尺寸比為5:1（即M1較weak）且M17和M26也較M0 weak，這樣可以解決電平轉(zhuǎn)換時(shí)的高低電平競爭問題，使0→1或1→0的轉(zhuǎn)換更準(zhǔn)更快。

（a）inp為高電平（vccint）工作原理

圖1（b）標(biāo)注了初始時(shí)刻inp由高到低跳變（vccint, ≤0.925V，如圖2 T2~T3時(shí)刻）時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電平（紅 & 藍(lán)字體），inp由高到低跳變時(shí)所有device也不存在耐壓問題。low voltage domain的低電平為0V，high voltage domain的低電平為vcco-1.8V+vtp，完成了不同電壓domain高到低（inp）to高到低（vout_p）的轉(zhuǎn)換。

（b）inp由高（vccint）到低（0）跳變工作原理

Fig1. 寬輸入level-shift高壓模式（2.5V, 3.3V）電路

圖2給出了高壓模式下level-shift inp, p1, p1b, vout_p, vout_n的波形，其中T3T4的分析與T1T2類似，這里不再贅述。

Fig2. 寬輸入level-shift高壓模式（2.5V, 3.3V）波形

2.2 低壓模式（1.2V, 1.5V, 1.8V）

為節(jié)約芯片面積，低壓模式與高壓模式共用一套電路，如圖3所示。低壓模式下pbias = 0V, nbias = vcco, en1p8_vcco = vcco, en1p8_aux = vcco, en1p8_b_vcco = 0, vis = 1V，如表1所示。低壓模式出于電壓裕度和速度考慮，不再需要鉗位電壓和鉗位電路。低壓模式下可通過圖3右側(cè)電路將vout_p和vout_n，p1和n2，p1b和n2b短接以旁路掉中間鉗位電路。

其中inp為low voltage domain （vccint,≤0.925V） level-shift輸入，vout_p為high voltage domain（vcco，≤1.8V）level-shift輸出，初始時(shí)刻inp為vccint，vout_p和vout_n為vcco，完成了不同電壓domain高（inp）到高（vout_p）的轉(zhuǎn)換。inp由高跳低再跳高的轉(zhuǎn)換過程與之前高壓模式類似，這里不再贅述。

Fig3. 寬輸入level-shift低壓模式（1.2V, 1.5V, 1.8V）電路

3 Voltage-resistantbuffer

根據(jù)第2章分析我們舉一反三，介紹如何實(shí)現(xiàn)耐壓結(jié)構(gòu)的buffer，如圖4所示。圖4所有device（電阻除外）任意兩端電壓（bulk除外）在任意工作模式下不得超過1.98V。左側(cè)（buffer_lv）電路電源電壓（vdd18）為1.8V，因?yàn)闆]有耐壓風(fēng)險(xiǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)左面電路電源電壓（vdd18）提升到3.3V時(shí)，所有device均會出現(xiàn)耐壓問題，不加以處理會嚴(yán)重影響芯片壽命。我們在左側(cè)電路M1，M2漏端插入一組cascode晶體管（如圖4右側(cè)M9, M10所示）即可實(shí)現(xiàn)耐壓結(jié)構(gòu)的buffer，如圖4右側(cè)F。

由此可推廣到更加復(fù)雜的電路系統(tǒng)，基本思想就是通過疊管子、鉗位來保護(hù)有耐壓風(fēng)險(xiǎn)的晶體管。

Fig4. 低壓和高壓buffer原理圖

**4 **思考與討論

① 專利中的BIAS GENERATION SEGMENT如何實(shí)現(xiàn)？整體IO Block又如何實(shí)現(xiàn)？一個IO Block又如何同時(shí)兼容LVDS、LVCMOS、LVTTL等電平標(biāo)準(zhǔn)？

② 根據(jù)以上分析如何舉一反三，設(shè)計(jì)一款耐壓結(jié)構(gòu)的bandgap、mux等電路？

③ power down時(shí)如何不存在耐壓問題？應(yīng)該加何種電路以輔助實(shí)現(xiàn)power down。

④ 當(dāng)電路規(guī)模龐大時(shí)，如何check網(wǎng)表中所有device是否存在耐壓問題（正常工作、power down以及上下電過程中都不要有耐壓風(fēng)險(xiǎn)）？