在 multi-voltage design 中,常常用到level shifter; 本文简单介绍: 什么是 level shifter? 何时需要用到level shifter? level shifter的插入位置?
在multi-voltage design中,将信号从一个power domain到另一个power domain需要一个Level Shifters
(电压/电平转换器)。level shifter用作缓冲器,输入端有和输出端的电压域不同,若不进行电压转换,可能无法正常工作;
这种cell在我们使用的IO中也广泛存在,用于将外部的电压与core电压之间进行转换。
此外,如果设计中还采用了Power Gating技术,在不同电压域之间进行通信的情况下,除了需要添加Level Shifter之外还需要用到另外一种cell :低功耗设计 | isolation cell
从高电压到低电压的level shifter,可以是两个反相器的串联:
根据电平转换的方向,Level Shifter可以分为三种:
需要在两个Power domain之间插入level shifter的情况有三种:
情况1和情况2如果不插入level shifter,可能造成功能错误或者芯片不稳定;
情况3虽然VDD_PD1传入VDD_PD2可能能够正确识别逻辑功能,但是由于VDD_PD1和VDD_PD2不是完全相同,为了保证时序,还是需要插入level shifter;
如果是高电平域的信号输出到低电平域,由于低电平域器件的阈值电压低,直接接高电平信号有可能会造成误抖动;
如果是低电平域信号输出到高电平域,由于高电平域器件的阈值电压高,所以高电平域器件很难区分低电平域信号的0/1,如果直接连接会有驱动不足等问题;
建议: 不管是从高到低转换还是从低到高转换,都要加上level shifter。Level shifter通常不具备逻辑功能,只是用于不同电压值之间的信号电平的转换,也就是Level shifter并不会影响逻辑设计,它只是一个电压转换的buffer;所以level shifter不会对功能仿真造成影响,不需要去写验证激励来测试;
上面这个列子是一个buffer类型的Level shifter, 逻辑上相当于一个buffer,只是输入输出的电压不一样。
上面这个例子是带ISO的level shifter,将两个cell合成一个,叫做enable level shifter (ELS)
;
比如当下图中信号从AON block传输到PD1时,需要加Level shifter。 当信号从PD1传输到PD2时,由于PD1是power gating模块,所以需要在PD1和PD2之间加带Isolation 功能的Level shifter cell(ELS:Enable Level shifter)。
又例如: 下图,PD1是可被关断的,PD1与PD2、PD1 与PD3之间用的Level Shifter就是带有Isolation功能的Level Shifter。而PD2是Always On的,所以PD2与PD3的数据只需要用普通的Level Shifter即可。
Level Shifter可以加在信号的源(source)端,也可以加在信号的目的(destination)端。一般推荐加在目的端,因为不需要连secondary pg pin,更加节省资源。 也就是说:
但是这个规则并不绝对,具体要结合实际情况,比如要考虑功耗,时序等。
cell(Buffer_Type_LH_Level_shifter) {
is_level_shifter : true;
level_shifter_type : LH ;
pg_pin(VDD1) {
voltage_name : VDD1;
pg_type : primary_power;
std_cell_main_rail : true;
}
pg_pin(VDD2) {
voltage_name : VDD2;
pg_type : primary_power;
}
pg_pin(VSS) {
voltage_name : VSS;
pg_type : primary_ground;
}
...
pin(A) {
direction : input;
related_power_pin : VDD1;
related_ground_pin : VSS;
input_voltage_range ( 0.7 , 0.9);
}
direction : output;
related_power_pin : VDD2;
related_ground_pin : VSS;
function : "A";
power_down_function : "!VDD1 + !VDD2 + VSS";
output_voltage_range (1.1 , 1.3);
...
...
}