本发明涉及一种电平转换的方法及装置，该装置包括：输入电路用于接收来自第二电源电压域的输入信号；阈值产生电路用于生成区分输入信号高低电平的阈值电压；自偏置放大器电路用于将输入信号与阈值电压进行比较，产生逻辑值；该电平转换装置产生与逻辑值相应的第一电源电压域的输出信号。本发明通过将不同或相同电源电压域的输入信号转换为芯片内部所需要的电压信号，从而达到低功耗及宽输入电压范围的要求。
1.一种电平转换装置，所述电平转换装置工作在第一电源电压域，其特征在于，包括：输入电路，用于接收来自第二电源电压域的输入信号；
用于提供默认上拉偏置，以及对自偏置放大器电路输入端提供保护；
阈值产生电路，用于生成区分输入信号高低电平的阈值电压；
自偏置放大器电路，用于将所述输入信号与所述阈值电压进行比较，产生逻辑值；所述自偏置放大器电路，包括两个PMOS管构成输入级、NMOS管构成的有源电流镜负载、PMOS管构成共栅极的电流源；两个PMOS管构成的输入级由MP1和MP2构成输入级，MP1的栅极为正向输入端，MP2的栅极为负向输入端；NMOS管构成的所述有源电流镜负载由宽长比小于1的NMOS管MN1-MN2n构成，其中所有NMOS管的栅极均连接至输入PMOS管MP1的漏极；NMOS管MN1的漏极连接至输入PMOS管MP1的漏极，MN1的源极与MN3的漏极相连，MN3的源极与MN5的漏极相连，以此类推，MN2n-1的源极连接至地；NMOS管MN2的漏极连接至输入PMOS管MP2的漏极，MN2的源极与MN4的漏极相连，MN4的源极与MN6的漏极相连，以此类推，MN2n的源极连接至地；
PMOS管构成所述共栅极的电流源由宽长比小于1的PMOS管MP3-MPn构成，其中所有PMOS管的栅极连接至输入PMOS管MP1的漏极；PMOS管MP3的漏极连接至输入PMOS管MP1和PM2的源极，MP3的源极与MP4的漏极相连，MP4的源极与MP5的漏极相连，以此类推，MPn的源极连接至电源，形成内部自偏置结构；
所述电平转换装置产生与所述逻辑值相应的第一电源电压域的输出信号。
2.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，所述阈值产生电路采用电阻串分压的电路结构，由电源至地的通路上串联的两个电阻构成；或者，所述阈值产生电路采用带隙基准的电路结构。
3.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，所述自偏置放大器电路具体用于：通过将输入信号与所述阈值电压相比较来确定输入信号的所述逻辑值，并将比较结果转换为与第一电源电压相应的逻辑信号并输出。
4.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，还包括反相放大器；
所述反相放大器包括PMOS管与NMOS管，用于将比较结果的输出信号进行放大处理；或者，所述反相放大器采用低功耗放大器。
5.根据权利要求4所述的电平转换装置，其特征在于，所述反相放大器包括n个PMOS管与1个NMOS管，构成PMOS管与NMOS管比例不同的反相器，其中PMOS管部分由宽长比小于1的PMOS管NP1-NPn构成，PMOS管NP1的漏极连接至NMOS管NN1的漏极，NP1的源极与NP2的漏极相连，NP2的源极与NP3的漏极相连，以此类推，NPn的源极连接至电源。
6.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，还包括施密特反相器电路；
所述施密特反相器电路包括施密特反相器和解耦滤波电容，用于防止比较结果输出的误触发。
7.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，所述自偏置放大器电路，施密特反相器电路和反相放大器及滤波电容共同完成去毛刺功能。
8.根据权利要求1所述的电平转换装置，其特征在于，还包括输出缓冲器；
所述输出缓冲器用于提高输出至外部信号的驱动能力，可依据对驱动能力的需求进行取舍与调整。
9.一种电平转换的方法，应用于权利要求1所述的电平转换的装置，其特征在于，包括：接收来自第二电源电压域的输入信号；并提供默认上拉偏置，以及对自偏置放大器电路输入端提供保护；
在第一电源电压域通过所述自偏置放大器电路与阈值产生电路检测出所述输入信号的逻辑值；
其中，将相同或不同电压域的输入信号与阈值电压进行比较，来确定输入信号的逻辑值，判断比较结果是否与电源电压有相应的逻辑信号；当有相应的逻辑信号，则改变所述阈值产生电路输出的阈值电压，将比较结果转换为与所述电源电压有相应的逻辑信号；
在所述第一电源电压域产生与所述逻辑值相应的输出信号。
一种电平转换的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及信号检测与电平转换领域，尤其涉及一种电平转换的方法及装置。
背景技术
[0002] 在芯片的系统应用中，往往会存在处于不同电源电压域的芯片之间需要进行通讯的情况，以实现所需的系统功能。当芯片需要接收来自其他电源电压域的控制信号时，则需要通过电平转换电路将外部信号工作电压转换至芯片内部逻辑的工作电压。
[0003] 该类型的检测通常采用双电源电压系统，其中一个电压与外部输入信号高电平电压相同，另一电压为芯片工作电压。通过将输入信号接入双电源电平转换器后得到所需信号电压。
[0004] 这种通过使用双电源供电的电平转换方式会导致以下较为突出的问题：倘若系统除了该电平转换模块外并不需要双电源供电，则会浪费一个独立管脚以及部分芯片面积。此外，该转换方法对输入电压的范围限制较大，很难覆盖到不同生产工艺下较为广泛的数字信号电压。
发明内容
[0005] 本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种电平转换的方法及装置。通过将不同或相同电源电压域的输入信号转换为芯片内部所需要的电压信号，从而达到低功耗及宽输入电压范围的要求。
[0006] 为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种电平转换的装置，该装置包括：输入电路，用于接收来自第二电源电压域的输入信号；阈值产生电路，用于生成区分输入信号高低电平的阈值电压；自偏置放大器电路，用于将输入信号与阈值电压进行比较，产生逻辑值；该电平转换装置产生与所述逻辑值相应的第一电源电压域的输出信号。
[0007] 另一方面，本发明提供了一种电平转换的方法，该方法包括以下步骤：接收来自第二电源电压域的输入信号；在第一电源电压域通过自偏置放大器电路与阈值产生电路检测出输入信号的逻辑值；在第一电源电压域产生与逻辑值相应的输出信号。
[0008] 本发明工作在宽电源电压域，且在单电源电压供电环境下即可工作，将不同或相同电源电压域的输入信号通过自偏置结构设计以达到不需要额外偏置电路的目的，以及设定信号高低电平的比较阈值电压来适应较宽的输入电压范围，提高了应用的灵活性。通过采用低功耗与去毛刺的设计，将内部各个模块的功耗控制在极低的水平，进而保证较低的整体功耗，提高了信号的准确性。
附图说明
[0009] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0010] 图1为本发明实施例提供的第一种电平转换装置的结构示意图；
[0011] 图2为本发明实施例提供的第二种电平转换装置的结构示意图；
[0012] 图3为本发明实施例提供的第三种电平转换装置的结构示意图；
[0013] 图4为本发明实施例提供的一种电平转换的方法流程示意图；
[0014] 图5为本发明实施例提供的一种阈值产生电路的结构示意图；
具体实施方式
[0015] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0016] 图1为本发明实施例提供的第一种电平转换装置的结构示意图。如图1所示，该电平转换装置包括输入电路101、自偏置放大器102、阈值产生电路103。
[0017] 其中，输入电路101用于接收来自相同或不同电源电压域的输入信号，其输入端为输入节点，输出端连接至自偏置放大器电路102的正向输入端。自偏置放大器电路102包括正向输入端、负向输入端和输出端，用于将输入信号与阈值产生电路103生成的阈值电压进行比较，并将阈值比较结果由输出端输出，其正向输入端连接至输入电路101的输出端，负向输入端连接至阈值产生电路103的输出端。阈值产生电路103生成用于区分输入信号高低电平的阈值电压，其输出端连接至自偏置放大器电路102的负向输入端。
[0018] 在相同或不同电源电压域的芯片间需要进行通讯时，相同或不同电源电压域的输入信号与阈值电压进行比较来确定输入信号的逻辑值，并将输出结果转换为与电源电压相应的逻辑信号，通过设置适当的阈值电压实现对相同或不同宽电压域的输入信号进行检测后，由自偏置放大器电路102的输出端将比较结果输出。
[0019] 图2为本发明实施例提供的第二种电平转换装置的结构示意图。如图2所示，该电平转换装置包括第一种单电源低功耗自偏置片上的电平转换装置、反相放大器104、斯密特反相器电路105和输出缓冲器106。
[0020] 其中，反相放大器104用于将阈值比较结果的输出信号放大后输出，使输出信号更易于后级处理，其输入端连接至自偏置放大器电路102的输出端，输出端连接至施密特反相器电路105的输入端。施密特反相器电路105用于防止比较结果输出的误触发，其输入端连接至反相放大器104的输出端，其输出端连接至输出缓冲器106的输入端。输出缓冲器106用于提高输出至外部信号的驱动能力，其输入端连接至施密特反相器电路105的输出端，其输出端连接至输出节点。
[0021] 在相同或不同电源电压域的芯片间需要进行通讯时，通过第一种单电源低功耗自偏置去毛刺片上的电平转换装置，将相同或不同电源电压域的输入信号转换为与电源电压相应的逻辑信号后输出，反相放大器104将输出信号进行放大处理，并和斯密特反相器电路105一同过滤掉输出信号中可能会产生误触发的毛刺信号，最后经输出缓冲器106提高输出信号的驱动能力后，由输出节点输出电源电压域的输出信号。
[0022] 本发明工作在宽电源电压域，且在单电源电压供电环境下即可工作，通过自偏置结构设计以达到不需要额外偏置电路的目的，以及设定信号高低电平的比较阈值电压来适应较宽的输入电压范围，提高了应用的灵活性。通过采用低功耗与去毛刺的设计，将内部各个模块的功耗控制在极低的水平，进而保证较低的整体功耗，提高了信号的准确性。
[0023] 图3为本发明实施例提供的第三种电平转换装置的结构示意图。如图3所示，该电平转换装置包括输入电路101、自偏置放大器电路102、阈值产生电路103/D1、反相放大器104、施密特反相器电路105和输出缓冲器106/D3。
[0024] 输入电路101包括一个上拉电阻Rpu和一个保护电阻Re，用于接收来自相同或不同电源电压域的输入信号。其中，上拉电阻Rpu用于提供输入端的默认偏置，其一端连接至电源，另一端连接至输入节点，其阻值无穷大；输入电路101亦可根据设计需求采用下拉电阻连通输入节点与地；保护电阻Re用于对自偏置放大器电路102的输入端提供保护，其一端连接至输入节点，另一端连接至自偏置放大器电路102的输入端。
[0025] 阈值产生电路103/D1用于产生区分输入信号高低电平的阈值电压；阈值产生电路103/D1的输出端存在分别连接至电源和地的解耦电容Cp1和Cn1,用于稳定阈值产生电路
103/D1输出的阈值电压；该解耦滤波电容可以有多种实现形式，包括但不限于可变电容、MOM电容、MIM电容和有源器件等。
[0026] 自偏置放大器电路102包括两个PMOS管构成的输入级、NMOS管构成的有源电流镜负载、PMOS管构成共栅极的电流源；输入级中第一PMOS管的栅极为正向输入端，第二PMOS管的栅极为负向输入端；共栅极电流源的源极连接至电源电压，漏极连接至输入级的源极，栅极与有源电流镜负载的栅极共同连接至输入级中第一PMOS管的漏极，有源电流镜负载的两个漏极分别连接至输入级的两个漏极，该结构形成内部自偏置结构，以达到不需要额外偏置电路的目的，减少支路降低功耗。
[0027] 自偏置放大器电路102用于将相同或不同电压域的输入信号与阈值电压进行比较，来确定输入信号的逻辑值，判断比较结果是否与电源电压有相应的逻辑信号，若没有相应的逻辑信号，则通过改变阈值电压产生电路103输出的阈值电压将比较结果转换为与电源电压有相应的逻辑信号，由该部分电路的输出端将比较结果输出。
[0028] 其中，两个PMOS管构成的输入级由MP1和MP2构成输入级，MP1的栅极为正向输入端，MP2的栅极为负向输入端。NMOS管构成的有源电流镜负载由宽长比小于1的NMOS管MN1-MN2n构成，其中所有NMOS管的栅极均连接至输入PMOS管MP1的漏极。NMOS管MN1的漏极连接至输入PMOS管MP1的漏极，MN1的源极与MN3的漏极相连，MN3的源极与MN5的漏极相连，以此类推，MN2n-1的源极连接至地；NMOS管MN2的漏极连接至输入PMOS管MP2的漏极，MN2的源极与MN4的漏极相连，MN4的源极与MN6的漏极相连，以此类推，MN2n的源极连接至地。PMOS管构成的电流源由宽长比小于1的PMOS管MP3-MPn构成，其中所有PMOS管的栅极连接至输入PMOS管MP1的漏极。PMOS管MP3的漏极连接至输入PMOS管MP1和PM2的源极，MP3的源极与MP4的漏极相连，MP4的源极与MP5的漏极相连，以此类推，MPn的源极连接至电源，该电流源为自偏置放大器电路102的输入级提供工作电压。
[0029] NMOS管MN1-MN2n与PMOS管MP3-MPn的栅极共同连接至输入PMOS管MP1的漏极构成自偏置结构，此结构因合理利用元件的功能管脚，减少了导通支路，从而降低了该部分电路的功耗。输入PMOS管MP2的漏极作为自偏置放大器的输出端。以上n为整数，其数目依据设计需求决定。
[0030] 反相放大器104包括n个PMOS管与1个NMOS管，构成PMOS管与NMOS管比例不同的反相器，其中PMOS管部分由宽长比小于1的PMOS管NP1-NPn构成，PMOS管NP1的漏极连接至NMOS管NN1的漏极，NP1的源极与NP2的漏极相连，NP2的源极与NP3的漏极相连，以此类推，NPn的源极连接至电源。以上n为整数，其数目依据设计需求决定。输入端为PMOS管NP1的栅极和NMOS管NN1的栅极；输出端为PMOS管NP1的漏极和NMOS管NN1的漏极，该部分电路将阈值比较结果的输出信号放大，使其易于后级处理，且输出信号的电平与输入反相放大器104的信号电平相反。该反相放大器104亦可采用但不限于低功耗放大器等结构产生所需的输出。
[0031] 施密特反相器电路105的输入端连接至反相放大器电路104的输出端，其输出端连接至输出缓冲器106的输入端；输入信号利用施密特反相器D2的阈值电压，得到满足设计需要的输出信号；施密特反相器D2的输入端存在连接至地的解耦滤波电容Cn2，用于过滤掉可能会产生误触发的毛刺信号；该解耦电容可以有多种实现形式，包括但不限于可变电容、MOM电容、MIM电容、有源器件等。其中，解耦电容亦可采用连接至电源的形式。
[0032] 输出缓冲器106/D3的输入端连接至施密特反相器D2的输出端，其输出端连接至输出节点，用于提高输出至外部信号的驱动能力；该输出缓冲器106/D3可依据对驱动能力的需求进行取舍与调整。
[0033] 该电平转换装置工作在宽电源电压域，当其工作在5V电源电压电压域时，输入节点接收到1.8V电压域下低电平的输入信号，首先通过自偏置放大器102将输入信号与阈值产生电路103产生的阈值电压相比较，区分输入信号的高低电平，判断比较结果是否与电源电压有相应的逻辑信号，即若输入信号电压大于阈值电压，输出高电平，若输入信号电压小于阈值电压，此时无输出；通过反向放大器104将比较结果的输出信号进行放大，由施密特反相器电路105将放大后的信号进行过滤处理，过滤掉可能产生误触发的毛刺信号，然后通过输出缓冲器106/D3提高其驱动能力，由输出节点输出在5V电源电压域下的所需电压。当其工作在5V电源电压电压域时，输入节点接收到3.3V电压域下高电平的输入信号，通过自偏置放大器102将输入信号与阈值产生电路103产生的阈值电压相比较，若输入信号电压小于阈值电压，则通过设置阈值电路改变阈值电压，使输入信号电压大于阈值电压，输出高电平，最后由输出节点输出在5V电源电压域下的所需电压。其中，电源电压需大于输入的相同或不同电源电压域下的输入信号。
[0034] 此外，自偏置放大器102、反相放大器104和斯密特反相器电路105，此三部分电路共同实现了对输入信号的消噪处理。若输入信号为噪声信号，通过自偏置放大器102、反相放大器104和斯密特反相器电路105后，将信号中噪声滤除，输出节点无对应输出。
[0035] 图4为本发明实施例提供的一种电平转换的方法流程示意图。如图4所示，该电平转换装置在单电源供电环境下，其电平转换方法包括：
[0036] 步骤S401、接收来自相同或不同电源电压域的输入信号；
[0037] 步骤S402、在电源电压域通过自偏置放大器电路与阈值产生电路检测出输入信号的逻辑值；
[0038] 步骤S403、在电源电压域产生与逻辑值相应的输出信号。
[0039] 图5为本发明实施例提供的一种阈值产生电路的结构示意图。如图5所示，阈值产生电路103采用电阻串分压的结构，由电源至地通路上串联的两个电阻R1、R2构成。电阻R1的一端连接至电源，另一端连接至阈值产生电路103的输出端；电阻R2的一端连接至地，另一端连接至阈值产生电路103的输出端。电路所产生的阈值电压由电阻R1、R2比例决定，根据设计需求设置较大的R1、R2阻值可以降低该部分电路的功耗。其中，阈值产生电路103亦可采用但不限于带隙基准等电路结构产生所需的阈值电压。
[0040] 本发明工作在宽电源电压域，且在单电源电压供电环境下即可工作，将不同或相同电源电压域的输入信号通过自偏置结构设计以达到不需要额外偏置电路的目的，以及设定信号高低电平的比较阈值电压来适应较宽的输入电压范围，提高了应用的灵活性。通过采用低功耗与去毛刺的设计，将内部各个模块的功耗控制在极低的水平，进而保证较低的整体功耗，提高了信号的准确性。
[0041] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
