大电压范围的电平转换电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种大电压范围的电平转换电路。


背景技术：

2.在目前各种处理器系统中，如各fpga，dsp的外围数据传输系统等，通常需要在工作在不同电压域的系统之间进行数据传输，这就需要使用接口芯片来将前级系统的电压信号转换为后级系统能够识别的电压信号，如图1所示。而接口芯片电路的核心部分就是电平转换电路。
3.通用的接口芯片电路的传输通道主要由三个模块构成：迟滞输入模块，level shift模块，驱动器模块，如图2所示。迟滞输入模块主要是识别输入电平并引入迟滞，level shift模块完成电平的转换，驱动器模块提供强的驱动能力。
4.基本工作原理为：当a端口输入电平为0时，通过迟滞反相器inv1识别输入电平，inv1输出为vcca，n2导通，inv2输出为0，n1关断，则level shift输出为0，则n3，n4关断，p3，p4导通，输出vcca，最后p5关断，n5导通，b点输出为0；当a端口输入电平为vcca时，通过迟滞反相器inv1识别输入电平，inv1输出为0，n2关断，inv2输出为vcca，n1导通，则level shift输出为vccb，则n3，n4导通，p3，p4关断，输出0，最后p5导通，n5关断，b点输出为vccb。
5.上述技术虽然在通常条件下，能够较好地完成电平转换，但在一些极限条件下，电平转换的性能通常无法达到要求。
6.1、极限条件下对节点的充放电存在极大的不平衡，如图3。主要原因为当vcca为最低电压，vccb为最高电压，工艺角在sf，即n管为工艺角s，p管为工艺角f时，level shift的输出下拉很慢甚至无法在时限内完成下拉；而当vcca为最高电压，vccb为最低电压，工艺角在fs，即n管为工艺角f，p管为工艺角s时，level shift的输出上拉很慢甚至无法在时限内完成上拉，并且上p管的弱驱动能力还严重制约低压下的传输速度。
7.2、极限条件下出现输出端口的局部振荡和误码，如图4。主要原因为当vcca为最低电压，vccb为最高电压时，工艺角在fs，即n管为工艺角f，p管为工艺角s时，在信号跳变时，输出级功率管会产生较高的对地冲击电流，使封装地端的寄生电感和外部电容引起的lc效应导致较高的地反弹，由于输入输出端的地不能分离，较高的地反弹传递到输入端，影响输入端的电平识别。


技术实现要素：

8.本实用新型提出一种大电压范围的电平转换电路，对于节点充放电不平衡问题，本专利将使用平衡性level shift结构平衡节点的充放电性能；对于地反弹导致输出振荡问题，本专利将输出级采用分段驱动的方式减小地反弹消除振荡。
9.一种大电压范围的电平转换电路,包括迟滞输入模块、平衡性level shift模块和分段驱动器模块，迟滞输入模块包含迟滞反相器inv1和反相器inv2，输入端e端连接迟滞反相器inv1的输入端；
10.平衡性level shift模块包括n1管、n2管、p1管、p2管、p3管、p4管、p5管、p6管、反相器inv3、反相器inv4、反相器inv5和反相器inv6，迟滞反相器inv1的输出端连接到n2管的栅极，反相器inv2的输出端连接到n1管的栅极；n1管源极和n2管源极均接地，n1管漏极同时接p1管漏极、p2管栅极、p6管漏极以及反相器inv5的输入端，n2管漏极同时接p2管漏极、p1管栅极、p5管漏极以及反相器inv3的输入端；反相器inv5输出端接反相器inv6的输入端，反相器inv3的输出端接反相器inv4的输入端；反相器inv6的输出端接p3管栅极，反相器inv4输出端接p4管栅极以及作为平衡性level shift模块的输出端；p3管漏极接p1管源极，p4管漏极接p2管源极；p3管源极和p4管源极均接vccb电源；
11.分段驱动器模块包括p7管、p8管、p9管、p10管、n3管、n4管、n5管、n6管、电阻r1和电阻r2，反相器inv4输出端作为平衡性level shift模块的输出端同时连接到p7管栅极、p8管栅极、n3管栅极和n4管栅极，p7管源极接vccb电源，p7管漏极接电阻r1的a端，n3端源极接地，n3管漏极接电阻r1的b端；p8管源极接vccb电源，p8管漏极接电阻r2的c端，n4管源极接地，n4管漏极接电阻r2的d端；电阻r1的a端接p9管栅极，电阻r1的b端接p10管栅极，p9管源极和p10管源极均接vccb电源；电阻r2的c端接n5管栅极，电阻r2的d端接n6管栅极，n5管源极和n6管源极均接地；p9管漏极、p10管漏极、n5管漏极、n6管漏极同时接输出端f端。
12.对本实用新型技术方案的进一步优选，平衡性level shift模块中的有两路反馈，一路反馈是由n1管到反相器inv5和反相器inv6再到p3管；另一路反馈是由n2管到反相器inv3和反相器inv4再到p4管。平衡性level shift模块，采用双反馈的架构，能大大拓展p1,p2管的宽长比设置，从而p1,p2管能提供与下管n1，n2管相当的驱动能力以实现节点充放电平衡，另一方面可以提供更大的电平转换范围
13.对本实用新型技术方案的进一步优选，两路反馈独立工作。
14.对本实用新型技术方案的进一步优选，分段驱动器模块根据驱动器输出管的大小，分段驱动可分为2段及以上。分段驱动器电路，在信号跳变时，先开启小部分功率管，并减少输出级功率p9管、p10管、n5管和n6管上下臂的交越时间，减少开启时的功率管对地的冲击电流引起的地反弹现象，从而消除输出端口的局部振荡和误码。
15.对本实用新型技术方案的进一步优选，p7管漏极与n3管漏极之间可串联一个以上电阻；n4管漏极与p8管漏极之间可串联一个以上电阻。
16.本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：
17.1、本实用新型与通用level shift结构相比，本专利的平衡性level shift模块结构采用双反馈的架构，能大大拓展p1能，p2管的宽长比设置，从而p1管，p2管能提供与下管n1管、n2管相当的驱动能力以实现节点充放电平衡，另一方面可以提供更大的电平转换范围。
18.2、本实用新型与通用驱动器相比，本专利的分段驱动结构采用分段驱动输出级功率管的架构，在信号跳变时，先开启小部分功率管，并减少输出级功率管p9，p10，n5，n6管上下臂的交越时间，减少开启时的功率管对地的冲击电流引起的地反弹现象，从而消除输出端口的局部振荡和误码。
附图说明
19.图1是接口芯片应用概念图。
20.图2是通用电平转换电路。
21.图3是充放电不平衡波形图。
22.图4是输出振荡波形图。
23.图5是本专利电平转换电路图。
具体实施方式
24.下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。
25.为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-附图5和具体实施方式做进一步的描述。
26.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
27.如图5所示，本实施例提出的一种大电压范围的电平转换电路，包括迟滞输入模块、平衡性level shift模块和分段驱动器模块，迟滞输入模块包含迟滞反相器inv1和反相器inv2，输入端e端连接迟滞反相器inv1的输入端。
28.平衡性level shift模块包括n1管、n2管、p1管、p2管、p3管、p4管、p5管、p6管、反相器inv3、反相器inv4、反相器inv5和反相器inv6，迟滞反相器inv1的输出端连接到n2管的栅极，反相器inv2的输出端连接到n1管的栅极；n1管源极和n2管源极均接地，n1管漏极同时接p1管漏极、p2管栅极、p6管漏极以及反相器inv5的输入端，n2管漏极同时接p2管漏极、p1管栅极、p5管漏极以及反相器inv3的输入端；反相器inv5输出端接反相器inv6的输入端，反相器inv3的输出端接反相器inv4的输入端；反相器inv6的输出端接p3管栅极，反相器inv4输出端接p4管栅极以及作为平衡性level shift模块的输出端；p3管漏极接p1管源极，p4管漏极接p2管源极；p3管源极和p4管源极均接vccb电源。
29.如图5所示，本实施例的平衡性level shift模块中的有两路反馈，一路反馈是由n1管到反相器inv5和反相器inv6再到p3管；另一路反馈是由n2管到反相器inv3和反相器inv4再到p4管。两路反馈独立工作。平衡性level shift模块，采用双反馈的架构，能大大拓展p1,p2管的宽长比设置，从而p1,p2管能提供与下管n1，n2管相当的驱动能力以实现节点充放电平衡，另一方面可以提供更大的电平转换范围。
30.分段驱动器模块包括p7管、p8管、p9管、p10管、n3管、n4管、n5管、n6管、电阻r1和电阻r2，反相器inv4输出端作为平衡性level shift模块的输出端同时连接到p7管栅极、p8管栅极、n3管栅极和n4管栅极，p7管源极接vccb电源，p7管漏极接电阻r1的a端，n3端源极接地，n3管漏极接电阻r1的b端；p8管源极接vccb电源，p8管漏极接电阻r2的c端，n4管源极接地，n4管漏极接电阻r2的d端；电阻r1的a端接p9管栅极，电阻r1的b端接p10管栅极，p9管源极和p10管源极均接vccb电源；电阻r2的c端接n5管栅极，电阻r2的d端接n6管栅极，n5管源极和n6管源极均接地；p9管漏极、p10管漏极、n5管漏极、n6管漏极同时接输出端f端。
31.本实施例的分段驱动器模块根据驱动器输出管的大小，分段驱动可分为2段及以上。分段用电阻分的段；p7管漏极与n3管漏极之间可串联一个以上电阻；n4管漏极与p8管漏极之间可串联一个以上电阻。
32.如图5所示，本实施例中，p7管漏极与n3管漏极之间串联一个电阻r1；n4管漏极与p8管漏极之间串联一个电阻r2；分为2段驱动；在信号跳变时，比如从反相器inv4出来的电压由高跳变为低时，n3管变为关闭，p7管变为开启，然后a、b点电压会被拉至高，但是由于电阻r1的存在，b点压比a点电压变化慢，所以p9管会比p10管先关断，而且p9管比p10管尺寸小。下半部分同理，只不过是n5管比n6管先开启。这样先开启部分功率管，能减少信号跳变时上下臂的交越时间, 减少开启时的功率管对地的冲击电流引起的地反弹现象，从而消除输出端口的局部振荡和误码。
33.本实施例大电压范围的电平转换电路的应用实施例：
34.1.该电路多通道并联并加入控制信号可以作为方向可控的缓冲器，主要用于数据总线的双向异步通信。为了保护脆弱的主控芯片，通常在主控芯片的并行接口与外部受控设备的并行接口间使用使用缓冲器。常用于同并口液晶屏，并口打印机，并口传感器或通讯模块的接口上。
35.2.在单片机等微控制器的引脚拉电流能力一般在20ma左右，要直接点亮数码管，显示屏等大功率显示器件明显不够。此时，由于该电路中驱动器的存在，能够有80ma左右的输出电流，可以用该电路来增强单片机引脚的驱动能力。
36.本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
37.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。