JSSC 2023第10期Other55nm

C3MLS An Ultra-Wide-Range Energy-Efficient Level Shifter With CCLSCMLS Hybrid St

提出一种CCLS/CMLS混合电平转换器C3MLS，实现超宽范围高效能电平转换。

55nm CMOS, 0.3V-1.2V, 20.08ns延迟, 18.11fJ/转换, 0.12nW静态功耗

电平转换器超宽范围能效优化混合拓扑低功耗

▸创新点1：CCLS/CMLS混合拓扑结构（电路创新）。通过巧妙结合交叉耦合电平转换器（CCLS）和电流镜电平转换器（CMLS）的优势，解决了CCLS的电流竞争问题和CMLS的高静态电流问题，实现了超宽范围（0.196V-1.2V）的高效能级转换。

▸创新点2：有限电流竞争与无静态电流设计（电路创新）。采用动态电流限制技术，在转换过程中有效抑制电流竞争，同时通过结构优化彻底消除静态电流，静态功耗低至0.12nW@0.3V，能量延迟积达到业界最优。

▸创新点3：多阈值晶体管与短沟道效应优化（工艺创新）。通过多阈值电压晶体管组合和基于短沟道效应的尺寸优化，显著提升亚阈值区的转换可靠性，最低可转换输入电压达56mV@10kHz。

▸创新点4：可扩展延迟设计（系统创新）。采用传输门和电流限制器的协同设计，使传播延迟（20.08ns@0.3V→1.2V）随电源电压缩放呈现良好线性特性，支持动态电压调节应用。

Abstract

Level shifters (LSs) are essential circuit elements in digital integrated circuits with multiple power domains. Cross- coupled LS (CCLS) and current mirror LS (CMLS) are the classical topologies. However, CCLS has a current contention issue, while CMLS suffers from high static current. In this article, a CCLS/CMLS hybrid LS, C 3MLS, is proposed for ultra-wide- range level conversions from extremely low voltage deep in the subthreshold region to nominal supply voltage. By maintaining the merits o