レベルシフト回路の作成

レベルシフト回路の解析 群馬大学工学部電気電子工学科通信処理システム工学第二研究室 96305033 黒岩伸幸 指導教官小林春夫助教授 1

ー発表内容ー 1. 研究の目的 2. レベルシフト回路の原理 3. レベルシフト回路の動作条件 4. レベルシフト回路のダイナミクスの解析 5. まとめ 2

1. 研究の目的 3

研究の目的 信号レベルを変換するレベルシフト回路の設計法を確立する このために 次の事を行う 〇レベルシフト回路の動作条件式の導出〇レベルシフト回路のダイナミクスの理論 およびシミュレーションによる解析 4

2. レベルシフト回路の原理 5

レベルシフト回路とは 入力波形と相似で信号を出力する回路 振幅レベルが異なる DC レベル変換回路 入力電圧 ( 例 :5V) V ddl V ddh ( 例 :20V) 出力電圧 時間 時間 実際の回路への使用例 チャージポンプ回路等 6

レベルシフト回路の実現法 入力 Vin: 0 or V ddl MP1 V ddh ( 例 :20V) MP2 出力 Vout1 Vout2: 0 or V ddh MP1 MP2 の Vout1 Vout2 ポジティブフィードバック Vin MN1 MN2 Vin(0 orv ddl ) ( 例 :5V) 7

回路の動作説明 20v VddL =5v VddH =20vとする 20v 5v 0v 20v 0v 0v 0v ON 5v 1 初期状態 2 入力を反転 20v 20v 20v ON ON ON 0v Vout2 Vout1 Vout2 20v 0v 0v ON 5v 0v ON 5v 0v 5v 3Vout2 の電位が下がる 4Vout1 の電位が上がる 5 最終状態 8

3. レベルシフト回路の動作条件 9

~ 問題設定 ~ レベルシフト回路が動作するための 次のパラメータの関係式を導出する V ddh 出力電圧 入力電圧 V ddh V ddl NMOS のデバイスサイズ PMOS のデバイスサイズ NMOS,PMOS のモデル及びデバイスパラメータ値 W L W L N P 0~ V ddl W L p W N L 0~V ddl 10

~ レベルシフト回路の動作条件 ~ 十分な時間の後に V ddh V I Vout 2 Vgs Vthp が動作条件 V V out 2 ddh thp のとき 1 I2 PMOS: 線形 NMOS: 飽和 MOSの電流式を適用 I I K W 0 V V 2 1 n in thn L n 2 W L 1 2 1 2 V V V V 2K p dd thp thp thp p 2 3 V ddh Vgs 線形 ON I 1 ON I 2 I Vout2(t) 飽和 Vin Vout2 の電位が下降中 1 I 2 11

2 3 1 より レベルシフト回路の動作条件 V in W K p L p Vthp 3 W K n L n 2V dd Vthp Vthn 回路の最低駆動入力電圧 V in min は K p p V in Vthp 2V dd 3Vthp Vthn min K n W L W L n 12

最低駆動電圧とパラメータとの関係 ~ シミュレーション値の求め方 ~ PMOS NMOSの W/L V V ddh をそれぞれ変える thp SPICE シミュレーションにより最低駆動電圧の 変化をみる PMOS の W/L V thp NMOS の W/L V ddh 13

~ 理論値の求め方 ~ 回路に使用した MOS の Vgs-Ids 曲線を求める MOS の関係式に代入し Kp Kn を算出 導入式に各パラメータ値を代入 Ids Vgs 14

導入式の検証方法 1PMOS の W 2 電源電圧 V ddh 3 PMOS のスレショルド電圧 V thp それぞれ変化させて理論値とシミュレーション値を比較 15

min Vin(V) 1.PMOS の W と最低駆動電圧の関係 PMOS の W を変化 シミュレーション値 理論値共に V in W p min の傾向が一致 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500 600 PMOS の W(μm) シミュレーション値理論値 16

min Vin(V) V ddh 2. と最低駆動電圧との関係 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 電源電圧 を変化 理論値とシミュレーション値にずれ NMOS の電流式を I 1 K n W L n V ddh 2 V V 1 V in thn に変更 シミュレーション値の傾向に近づく ds シミュレーション値 理論値 (λ 無 ) 理論値 (λ 有 ) 0 0 20 40 60 80 100 120 Vdd(V) 17

min Vin(V) V thp 3. スレショルド電圧と最低駆動電圧の関係 PMOS の V thp を変化 ほぼ一致 2.5 2 1.5 1 シミュレーション値理論値 0.5 0 0 5 10 15 Vthp(V) 18

~ 導入式の検証についてのまとめ ~ 1.PMOS の W 2. 電源電圧 V ddh 3. スレショルド電圧 V thp の三点について 導入式の正当性を確認 精度の向上 厳密な MOS の電流式が必要 19

4. レベルシフト回路のダイナミクス の解析 20

~ レベルシフト回路のダイナミクスの解析点 ~ 回路を過渡解析したときの出力の遅延時間が問題 遅延の原因を究明 モデル式を立てる 出力 Vthp Vout2 Vout1 時間 入力 Vin Vin SPICE シミュレーション波形 21

~ 解析方法 ~ 1. t1~t3 を SPICE で測定する Vout2 の遅延時間 出力 V thp Vout2 Vout1 t1: V ddh V thn Vout1 の遅延時間 V thn V ddh t2: 全体遅延時間 V thp t3: 入力が反転 V ddh V thp V thn 入力 Vin t1 t3 t2 Vin 時間 時間 22

遅延時間 (ns) ( V =20v VddL =5v W =50μm L=16μm L=4.2μm) N ddh 12 PMOS の W と遅延時間の関係 N P 10 8 6 4 立下り遅延 立上り遅延 全体の遅延 2 0 0 20 40 60 80 100 120 PMOS の W(μm) PMOS の W 小 :Vout2 の立下りが早い 大 :Vout1 の立上りが早い 最適な W が存在 23

2 差動出力ノード間の寄生容量の影響 Vout1 の立ち上がり開始が遅い Vout1 Vout2 Vout1 Vout2 間の寄生容量が原因? ダミー容量 :Cm ダミー容量 :Cm を回路に組み その効果を見る 出力 Vthp Vout2 予想波形 Vout1 シミュレーション波形 24 時間

出力電圧 (V) 出力電圧 (V) 出力電圧 (V) ダミー容量 :Cm を取り付けた時の出力 ( V ddh=20v VddL=5v W =10μm =50μm =16μm =4.2μm) L N P W N L P 25 25 25 20 20 20 15 15 15 10 10 10 5 5 5 0 0.00E+00 4.00E-08 8.00E-08 1.20E-07 1.60E-07 2.00E-07-5 時間 (s) Cp=0 0 0.00E+00 4.00E-08 8.00E-08 1.20E-07 1.60E-07 2.00E-07-5 時間 (s) Cp=1p 0 0.00E+00 4.00E-08 8.00E-08 1.20E-07 1.60E-07 2.00E-07-5 時間 (s) Cp=5p Cm 大 :Vout1 の立ち上がり開始が遅くなる 25

~ダイナミクスのモデル式の導出 ~ 今までの結果を踏まえてモデル式を導く I I V m dvout1 C1 dt dv C2 dt dv Cm dt 1 out 2 I2 m V m V C1 out 2 out1 Vin Vdd I1+Im I3 Vout1 Vout2 I1 Cm Im Im I2 Vm I2+I3+Im Vin C2 26

4. まとめ 27

まとめ 研究成果 レベルシフト回路の動作条件式を導出した レベルシフト回路のダイナミクスの微分方程式を導出した 今後の課題 MOS の厳密モデル式を用いて より高精度な動作条件式の導出 ダイナミクスを表す微分方程式の解析 28

遅延時間 (ns) PMOS の W と遅延時間の関係 ( V =20v VddL=5v W =50μm =16μm L=4.2μm) N ddh N L P 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 t1 t2 t3 t4 t5 0 0 20 40 60 80 100 120 PMOS の W(μm) 29

シミュレーション結果 Vout2 PMOS の W が小さければ小さいほど早いわけではない W 大で傾きは緩やかに 最適な W の設計が必要 Vout1 W= 大で 傾きは 急になる W= 大で長くなる 30

~ シミュレーション結果 ~ ダミー容量と遅延時間の関係を証明 寄生容量がレベルシフト回路の スピードを遅くしている原因の一つといえる 31

まず 回路の片側だけについて 考えてみる 図 1 の 抵抗についての等価回路 図 2 のようになる PMOS Vdd Vdd Rp Vom 等価回路 Vom Vin Rn NMOS 図 1 32 図 2

レベルシフト回路の動作条件 右図で十分時間がたったとき Vdd V dd t1 t 2 I V t om V thp とすると V 1 1 I2 t om t 2 である 1 を満たすことである V 1 om t 2 であるから MP1 I 2 Vom Vdd Vthp のとき I1 I2 2 Vom(t) が満たされていれば成り立つ I1 I 2 C MN1 は飽和 MN2 は線形領域 I I K W V V 2 1 n in thn L n 2 W L 3 1 2 V V V V 2K p dd thp thp thp p 2 4 I 1 MN1 33 Vin

~ 基本動作 2~ Vdd MP1 MP2 2Vin=Hi のとき Vin=Hi なので MN1=OFF MN2=ON MP1 =ON になる Vout1 =Vdd が出力 MP2 =OFF Vout2 =0 ON Vout1=Vdd C1 MN1 Vin=Lo OFF OFF MN2 ON Vout2=0 C2 Vin=Hi 34

回路の動作条件について (1)Vin が Lo から Hi に反転すると MN1 は ON から OFF に MN2 は OFF から ON になる (2)MP1 が OFF から ON になるためには V p V とすると dd Vp V th V PMOS out2 を満たせば MP1 は反転する (3)Vout1 が反転すれば MP2 も ON から OFF に反転 35

レベルシフト回路の実際の回路への使用例 チャージポンプ回路に使用 36

3 4 2 K W L W L 2 n in thn 2 p dd thp thp thp n p 2 2 V V K V V V V 1 W K p L p Vin Vthn Vthp 2V dd 3V W K n L n thp 5 回路の最低駆動電圧 V in min の一時近似式は K p p V in Vthp 2V dd 3Vthp Vthn min K n W L W L n 6 37