IO模块中的宽输入范围耐压结构level-shift

**1 **应用背景

板卡上的芯片需要相互通信，IO接口电平越丰富，芯片通用性越强。以28 nm工艺为例，IO device最高可耐1.98V，core device最高可耐1.0V，而IO电平需要同时满足1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V, 3.3V，这就需要设计一款宽输入电压范围耐压结构的IO模块。

**2 **Widerange voltage translation

该专利介绍的是一种宽输入范围（1.2V~3.3V）的level-shift，为满足如此宽的电压输入，将电路分成了两种工作模式，一种是高压模式（＞1.8V），一种是低压工作模式（≤1.8V），两种模式的切换是由BIAS GENERATION SEGMENT控制，下面我们分别介绍这两种工作模式。

2.1 高压模式（2.5V, 3.3V）

图1给出了宽输入level-shift高压模式（2.5V, 3.3V）电路，图中M14M15和M27M30为core device，最高工作电压为0.925V，其他器件均为高压管（IO device），最高工作电压为1.89V，vtn和vtp分别为IO device n管和p管的阈值电压，vcco为IO电源（1.2V3.3V）, vccint（0.65V0.925V）为芯片内部数字逻辑电源，BIAS GENERATION SEGMENT中还有一个辅助（auxiliary）电源vccaux（本讲不涉及此电源）。

整体电路(100)分为input receiving(112), stress minimization(110), contention minimization(114), feedback generation(116)以及BIAS GENERATION SEGMENT（102）。

其中BIAS GENERATION SEGMENT没有给出具体电路，只给出了不同模式下的输出电压，如表1所示。高压模式下pbias = vcco-1.8V, nbias = 1.8V, en1p8_vcco = vcco-1.8V, en1p8_aux = 0V，en1p8_b_vcco = vcco, vis = 1V，这些电位是用于保护IO device和core device。

图1（a）标注了初始时刻inp为高电平（vccint,≤0.925V，如图2 T1时刻）时关键节点的电平（红色字体），可见初始时刻所有device不存在耐压问题。其中inp为low voltage domain（vccint）level-shift输入，vout_p为high voltage domain（vcco）level-shift输出，初始时刻inp为vccint，vout_p为vcco，完成了不同电压domain高（inp）到高（vout_p）的转换。

该结构引入了input receiving(112), stress minimization(110), contention minimization(114)和feedback generation(116)等技术用于解决耐压、速度、竞争等问题，专利中已经描述的非常详细，有兴趣的可以仔细阅读。其中M0和M1的尺寸比为5:1（即M1较weak）且M17和M26也较M0 weak，这样可以解决电平转换时的高低电平竞争问题，使0→1或1→0的转换更准更快。

（a）inp为高电平（vccint）工作原理

图1（b）标注了初始时刻inp由高到低跳变（vccint, ≤0.925V，如图2 T2~T3时刻）时关键节点的电平（红 & 蓝字体），inp由高到低跳变时所有device也不存在耐压问题。low voltage domain的低电平为0V，high voltage domain的低电平为vcco-1.8V+vtp，完成了不同电压domain高到低（inp）to高到低（vout_p）的转换。

（b）inp由高（vccint）到低（0）跳变工作原理

Fig1. 宽输入level-shift高压模式（2.5V, 3.3V）电路

图2给出了高压模式下level-shift inp, p1, p1b, vout_p, vout_n的波形，其中T3T4的分析与T1T2类似，这里不再赘述。

Fig2. 宽输入level-shift高压模式（2.5V, 3.3V）波形

2.2 低压模式（1.2V, 1.5V, 1.8V）

为节约芯片面积，低压模式与高压模式共用一套电路，如图3所示。低压模式下pbias = 0V, nbias = vcco, en1p8_vcco = vcco, en1p8_aux = vcco, en1p8_b_vcco = 0, vis = 1V，如表1所示。低压模式出于电压裕度和速度考虑，不再需要钳位电压和钳位电路。低压模式下可通过图3右侧电路将vout_p和vout_n，p1和n2，p1b和n2b短接以旁路掉中间钳位电路。

其中inp为low voltage domain （vccint,≤0.925V） level-shift输入，vout_p为high voltage domain（vcco，≤1.8V）level-shift输出，初始时刻inp为vccint，vout_p和vout_n为vcco，完成了不同电压domain高（inp）到高（vout_p）的转换。inp由高跳低再跳高的转换过程与之前高压模式类似，这里不再赘述。

Fig3. 宽输入level-shift低压模式（1.2V, 1.5V, 1.8V）电路

3 Voltage-resistantbuffer

根据第2章分析我们举一反三，介绍如何实现耐压结构的buffer，如图4所示。图4所有device（电阻除外）任意两端电压（bulk除外）在任意工作模式下不得超过1.98V。左侧（buffer_lv）电路电源电压（vdd18）为1.8V，因为没有耐压风险，很容易实现。

当左面电路电源电压（vdd18）提升到3.3V时，所有device均会出现耐压问题，不加以处理会严重影响芯片寿命。我们在左侧电路M1，M2漏端插入一组cascode晶体管（如图4右侧M9, M10所示）即可实现耐压结构的buffer，如图4右侧F。

由此可推广到更加复杂的电路系统，基本思想就是通过叠管子、钳位来保护有耐压风险的晶体管。

Fig4. 低压和高压buffer原理图

**4 **思考与讨论

① 专利中的BIAS GENERATION SEGMENT如何实现？整体IO Block又如何实现？一个IO Block又如何同时兼容LVDS、LVCMOS、LVTTL等电平标准？

② 根据以上分析如何举一反三，设计一款耐压结构的bandgap、mux等电路？

③ power down时如何不存在耐压问题？应该加何种电路以辅助实现power down。

④ 当电路规模庞大时，如何check网表中所有device是否存在耐压问题（正常工作、power down以及上下电过程中都不要有耐压风险）？