防倒灌电路、双向电平转换器及集成电路的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种防倒灌电路、双向电平转换器及集成电路。

背景技术：

目前，数据传输技术在人们日常生活中被广泛的应用，然而在其电子电路设计时，越来越多的呈现出设计的复杂性。内部传输结构复杂的电路设计中，最基本的是要解决两种不同的电平之间的转换问题，其中应用最为广泛的是双向电平转换器。

然而传统的电平转换器在实际应用中存在着一定的风险。传统的双向电平转换器结构具有输入输出两个端口，且两个分别加载在两个端口的电源电压，且两个端口上的上拉驱动管的衬底与电源电压相连，当电源电压中有一个没有电压的时候，那么相应的上拉驱动管衬底电压不再为高，此时上拉驱动管可能会发生电流倒灌现象，从而使管子烧坏。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种晶体管防倒灌电路、双向电平转换器及集成电路，旨在解决传统的电平转换器存在的上拉驱动管可能会发生电流倒灌现象，从而使管子烧坏的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种晶体管防倒灌电路，与信号端子连接，包括：

驱动晶体管，栅极接驱动信号，高电位端接电源，低电位端与所述信号端子连接；

防倒灌模块，与所述上拉电源、所述信号端子和所述驱动晶体管的衬底电连接，被配置为当所述电源上电时，使所述电源电压加载在所述驱动晶体管的衬底，当上拉电源掉电时，使所述信号端子的电压加载在所述驱动晶体管的衬底。

本发明实施例的第二方面提供了一种双向电平转换器，包括第一信号端子、第二信号端子、第一电源、第二电源、与所述第一信号端子连接的第一上拉驱动管、与所述第一信号端子连接的第一下拉驱动管、与所述第二信号端子连接的第二上拉驱动管、与所述第二信号端子连接的第二下拉驱动管、驱动电路、与所述第一上拉驱动管连接的第一防电流倒灌电路及与所述第二上拉驱动管连接的第二防电流倒灌电路，所述第一防电流倒灌电路和所述第二防电流倒灌电路为权利要求1所述的晶体管防倒灌电路。

本发明实施例的第四方面提供了一种集成电路，包括上述的晶体管防倒灌电路和/或上述的双向电平转换器。

上述的晶体管防倒灌电路设计可以调节晶体管管的衬底电压，使其跟随信号端子电平的变化，从而晶体管的低电位电压不会高于衬底电压，有效地防止了因电流倒灌而使管子烧坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双向电平转换器的模块图；

图2为本发明实施例提供的晶体管防倒灌电路的原理图；

图3为图1的第二信号端子电路应用了晶体管防倒灌电路的原理图；

图4为本发明实施例提供的防倒灌模块的电路原理图；

图5为图1的双向电平转换器正常工作时衬底电压vsub跟随vccb的变化波形；

图6为图1的双向电平转换器vccb电源掉电时，vsub跟随第二信号端子12输入电平的变化波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供的双向电平转换器的模块图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

双向电平转换器包括第一信号端子11、第二信号端子12、第一电源vcca、第二电源vccb、与第一信号端子11连接的第一上拉驱动管、与第一信号端子11连接的第一下拉驱动管、与第二信号端子12连接的第二上拉驱动管、与第二信号端子12连接的第二下拉驱动管、两个驱动电路、与第一上拉驱动管连接的第一防电流倒灌电路及与第二上拉驱动管连接的第二防电流倒灌电路，其中各个部件的连接关系如图1所示，第一防电流倒灌电路和第二防电流倒灌电路为晶体管防倒灌电路。

设计时只需要在第一信号端子11和第二信号端子12两个端口各加一个晶体管防倒灌电路即可保证第一电源vcca或第二电源vccb任意一端电压为0时，两端的上拉驱动管都不会被烧坏。在设计过程中，可根据实际的两端的电源电压来适当调整管子结构和参数，使其当其中一端的电源电压为低时，该端的驱动管衬底电位都会精确跟踪输入端电压的变化。

请参阅图2，本发明实施例提供的晶体管防倒灌电路的原理图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

晶体管防倒灌电路包括驱动晶体管t1和防倒灌模块13，驱动晶体管t1的栅极接驱动信号，驱动晶体管t1的高电位端接电源vccb，驱动晶体管t1的低电位端与信号端子12连接；防倒灌模块13与电源vccb、信号端子12和驱动晶体管t1的衬底电连接，被配置为当电源vccb上电时，使电源vccb的电压加载在驱动晶体管t1的衬底，当电源vccb掉电时，使信号端子12的电压加载在驱动晶体管t1的衬底。

若电源没有正常上电情况下驱动晶体管t1的高电位端没有电压，低电位端电压跟随信号端子12的电平变化，若驱动晶体管t1的衬底电压继续跟随电源vccb电压，则晶体管t1衬底也没有了电压，驱动晶体管t1有可能由于低电位电压高于衬底电压而被烧坏，为避免此现象的发生，电路中防倒灌模块13通过对驱动晶体管t1的衬底电位的调节，解决了电平转换过程中可能发生的电流倒灌的问题。具有电路结构简单、成本低、功耗小、可靠性高等优点。尤其在双向电平转换电路中效果明显，在其他可能发生电流倒灌的电路中也可引用该发明。

请参阅图1和图3，以第二信号端子12电路为例，此处有两个驱动电路来驱使电平转换器工作，分别是弱驱动电路和one-shot电路。driver为弱驱动电路产生的驱动信号，up_pull与dn_pull为one-shot电路产生的驱动信号，驱动晶体管t1为pmos管，其高电位端、低电位端分别为漏极、源极，在其他实施方式中，驱动晶体管t1为nmos管，驱动晶体管t1、nmos管t2为弱驱动电路的上拉、下拉驱动管；pmos管t3为one-shot驱动电路的上拉驱动管，nmos管t4、t5、t6、t7(可用一个替代)为one-shot驱动电路的下拉驱动管。当电平信号由第一信号端子11传输到第二信号端子12时，弱驱动电路和one-shot电路驱动各自的上拉驱动管和下拉驱动管，当电路正常工作时，即vcca与vccb正常供电时，此时防倒灌模块13的作用下，使t1和t3的衬底电压vsub为高，由于此时正常工作下电源vccb电压为高，因此t1和t3能够作为上拉管工作。

当信号由第二信号端子12传输到第一信号端子11时，正常工作时的原理与由第一信号端子11输到第二信号端子12相同。若信号从第二信号端子12传输到第一信号端子11时，第二信号端子12的第二电源vccb没有正常上电情况下，上拉晶体管t1和t3的源极没有电压，漏极电压跟随第二信号端子12输入电平变化，若上拉晶体管t1和t3衬底电压继续跟随第二电源vccb，则衬底也没有了电压，上拉晶体管t1和t3有可能由于漏极电压高于衬底电压而被烧坏。为避免此现象的发生，电路中防倒灌模块13的设计可以调节上拉晶体管t1和t3的衬底电压vsub，使其跟随第二信号端子12输入电平的变化，从而上拉晶体管t1和t3的漏极电压永远不会高于衬底电压，有效地防止了因电流倒灌而使管子烧坏。同理第一信号端子11电路中的防倒灌模块13电路功能相同。

请参阅图2和图4，防倒灌模块13包括第一晶体管t12、第二晶体管t13、第三晶体管t14及第一二极管d1。

第一晶体管t12的栅极和第二晶体管t13共接接第二电源vccb，第一晶体管t12的漏极接驱动晶体管的衬底，第二晶体管t13的源极接第二信号端子12，第一晶体管t12的源极、第二晶体管t13的漏极、第三晶体管t14的栅极及第二信号端子12共接，第三晶体管t14的漏极接电源，第三晶体管t14的源极接驱动晶体管的衬底，第一二极管d1的阳极接第二电源vccb，第一二极管d1的阴极接驱动晶体管的衬底。

在其他实施例中，防倒灌模块13还包括晶体管t1-t11，晶体管t1-t11的连接关系如图4所示。第一晶体管t12、第二晶体管t13、第三晶体管t14及第一二极管d1为pmos管，在其他实施方式中可以为nmos管。

结合图1至图4，以晶体管防倒灌电路应用双向电平转换器说明具体原理，晶体管防倒灌电路具体功能是：当电平转换电路正常工作时，使上拉驱动管的衬底电压vsub等于电源电压vccb。当输入端电源电压vccb没有电压的时候，使上拉驱动管的衬底电压vsub等于漏端电压。

当电路正常工作时，电平信号由第一信号端子11向第二信号端子12转换，图4中的第二电源vccb为高电平，则第一晶体管t12、第二晶体管t13关断，使第二信号端子12输入电平无法传输到上拉驱动管的衬底，同时，第三晶体管t14关断，第二电源vcc第二信号端子12电压通过二极管d1传输到衬底，如图5所示，衬底电压vsub跟随vccb变化，从而使电平转换器的上拉驱动管的衬底电位为高，电平可以正常转换。

当电平信号由第二信号端子12传到第一信号端子11时，若第二信号端子12电源电压第二电源vccb变为0，第二信号端子12口正常输入电平，第一晶体管t12、第二晶体管t13开启，第二信号端子12口的输入电平传输到衬底，即可阻止了外部上拉驱动管中电流的倒灌，保证了驱动管不被烧坏。衬底电压vsub随第二信号端子12口输入电压变化如图6所示。

由于双向电平转换器的第一信号端子11口电路与第二信号端子12口电路的结构是相同的，同样在第一信号端子11口电路中，也有相同的晶体管防倒灌电路结构。此时若输入电平由第二信号端子12口向第一信号端子11口转换，第一信号端子11的上下拉驱动管的衬底电压跟随第一电源vcca的变化，电路正常工作；当输入电平由第一信号端子11口向第二信号端子12口转换时，若第一信号端子11电压第一电源vcca电压变为0，那么由于第一信号端子11晶体管防倒灌电路的作用，使上拉驱动管的衬底电压vsub跟随第一信号端子11口的电平变化，避免了第一信号端子11电路中上拉驱动管的电流倒灌。

因此，在双向电平转换器中，只需要在第一信号端子11和第二信号端子12电路中各加一个晶体管防倒灌电路便可有效的防止因电源电压掉电而导致的电流倒灌现象。

本发明采用了特殊的电路结构通过对驱动管衬底电位的调节，解决了电平转换过程中可能发生的电流倒灌的问题。具有电路结构简单、成本低、功耗小、可靠性高等优点。尤其在双向电平转换电路中效果明显，在其他可能发生电流倒灌的电路中也可引用该发明。

此外，还提供了一种集成电路，包括上述晶体管防倒灌电路和/或上述双向电平转换器。可以理解的是，上述晶体管防倒灌电路还可以用在其他分立电路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。