什么是电平转化电路 电平转换器原理分析

最近做PD电路时，需要将数字的PD信号（数字电平0.9V）转化为模拟的VDD（1.2V至1.8V）信号，所以需要用到一个电平转化电路，所以看看学习了一下什么是电平转化电路。

上图是简单的Level Shifter，其作用是将电平从0～Vin转换到0～VDDH。具体工作原理如下：

当Vin为0时，Vg2为1，M2导通，将M2的D端电压拉低至0，然后M3导通，将VD充至VDDH，通过反向器最终输出0。

当Vin为1时，M1导通，VD被拉至0，通过反相器最终输出VDDH。

但是你管子尺寸设置得不够好，该电路是没法正常工作的。

在刚刚Vin为0时，给我们的初态是VD＝VDDH，VDM2=0。不妨从这个状态开始分析，假设此时来了一个高电平Vin：

那么M1导通，VD拉到0。让我们把这个过程放大一万倍，最关键的地方就在VD被拉到0这个过程。事实上，M1导通以后，M3也会立马跟着导通，也会有电流的。如果那这俩都导通都有电流，VD电压怎么办？M3的Vgs此时可一直都很大，一直都是VDDH，之前关断是因为VDS为0，现在你M1一导通，但凡把VD往下拉一点，使得M3的VDS从0开始增大了，他马上进入线性区。

看mos管关于vds和id的图；由图中可以看出，此时M3在深线性区，电流很小；而M1处于饱和区，电流比较大。正是这两个电流的差值，让VD这个点的节点电容放电，才使得该点电压能够继续降低的。随着这个放电的继续，VD会越来越低，根据上面那个图，考虑沟道长度调制效应，M1的Vds越来越小，M3的Vds越来越大。这就导致M1电流会越来越小，M3电流会越来越大，但是M1的电流始终比M3大，这保证了VD这个点的寄生电容能持续被放电。

系统会一直保持这个状态。第二种情况，如果他俩电流还未相等，VD电压就已经比VDDH低了一个VTHP，那么M4导通，M2漏端拉高，M3关闭，VD只放不充，很快放到0，然后经过反相器输出VDDH。

按照常规理解分析：只要n管的宽长比比p管大得多，使得n管的VDS足够小，就能满足VD的电位越来越低，使得m4管导通，使得VD电位到达地。

临界的宽长比分析：当VD下降到VDDH-VTHP时；m1的饱和区电流与m3管在深度线性区的电流相等；

得到的尺寸比，正好就是我们保证电路能正常工作的最小尺寸比

只要n管的宽长比比最小尺寸比大，就可以保证VD的电位正常拉低。

审核编辑：黄飞