一种适用于5V应用环境的单片机制造技术

本发明专利技术公开一种适用于5V应用环境的单片机，所述单片机至少包括全内置降压电源系统、内核、I/O及其他对外接口电路，其中在I/O及其他对外接口电路中应用非易失性存储工艺中的高压器件，使I/O及其他对外接口电路能够工作在5V电压下。本发明专利技术的单片机能够与5V外部设备直接通信，而不需要外部的电平转换设备，并能够发挥半导体器件的特征尺寸不断减小的优势，减小芯片面积，降低成本。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种适用于5V应用环境的单片机，所述单片机至少包括全内置降压电源系统、内核、I/O及其他对外接口电路，其中在I/O及其他对外接口电路中应用非易失性存储工艺中的高压器件，使I/O及其他对外接口电路能够工作在5V电压下。本专利技术的单片机能够与5V外部设备直接通信，而不需要外部的电平转换设备，并能够发挥半导体器件的特征尺寸不断减小的优势，减小芯片面积，降低成本。【专利说明】—种适用于5V应用环境的单片机
: 本专利技术涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种适用于5V应用环境的单片机。
技术介绍
: 单片机的运行程序存储在只读存储器内，只读存储器是一种非易失性存储器。为了实现全集成化，单片机芯片通常采用非易失性存储工艺进行设计制造，例如Embedded Flash工艺、OTP工艺、MTP工艺、E2PROM工艺等。非易失性存储工艺提供三种半导体器件:内核器件、I/O器件、高压器件。内核器件的特征尺寸相对最小，工作电压相对最低，用于设计芯片的主要功能电路；1/0器件的特征尺寸相对较大，工作电压相对较高，用于设计芯片的I/O及其他对外接口电路；高压器件的特征尺寸相对最大，工作电压相对最高，通常仅仅用于设计与只读存储器相关的高压电路。例如，工艺厂家(Foundry)提供的IP核、I/O库等都不采用高压器件，而采用内核器件和I/O器件。随着半导体工艺的革新，半导体器件的特征尺寸不断缩小，同时器件的工作电压下降，单片机芯片中内核(Core)的工作电压由原来的5V、3.3V降为1.8V、1.2V甚至更低，I/O及其他对外接口电路的工作电压则降为3.3V、2.5V等，对外接口电路的信号电压范围也相应下降。在5V应用环境中，装置或设备的电源电压为5V，信号电压为O飞V。新工艺下的单片机如何适用于5V应用环境是需要解决的问题。现有技术方案一如图1所示，单片机芯片的内核、I/O及其他对外接口电路采用旧工艺设计制造。在旧工艺中，由于内核器件和I/o器件的特征尺寸较大，内核、I/O及其他对外接口电路可以工作在5V电压下，使得对外接口能够直接与5V外部设备交互。该方案的缺点是，单片机芯片不能够适应半导体工艺的进步，芯片面积较大，单片机成本较高。现有技术方案二如图2所示，单片机芯片的内核、I/O及其他对外接口电路采用新工艺设计制造。在新工艺中，内核器件和I/o器件的特征尺寸较小，内核的工作电压为ve_，I/O及其他对外接口电路的工作电压为Vra，且Ncore ( V10 < 5V。I/O及其他对外接口内具有电平转换电路，对内输入或者输出(Tvam信号，对外输出或者输入(TVra信号。其中，传统的低电压到高电压的电平转换电路如图3所示，反相器Il采用内核器件，NMOS管NI和N2以及PMOS管Pl和P2均为I/O器件，反相器12采用I/O器件。该方案的缺点是，单片机与5V外部设备通信时需要外部附加逻辑，例如外部电平转换设备，这导致PCB板布局布线的复杂度增大，总体成本增加。
技术实现思路
: 本专利技术的目的是针对上述存在的问题，提供一种适用于5V应用环境的单片机。该方法充分利用非易失性存储工艺的特点，使单片机芯片适应半导体工艺的发展，减小芯片面积，同时单片机能够与5V外部设备直接交互，减小PCB板的面积和布局布线复杂度，降低成本。实现本专利技术目的的技术方案是:一种适用于5V应用环境的单片机，所述单片机至少包括全内置降压电源系统、内核、对外接口电路；所述全内置降压电源系统采用非易失性存储工艺中的高压器件和/或非易失性存储工艺中的I/o器件，所述全内置降压电源系统提供内核电源电压Vtoe，且内核电源电压Vcore < 5V ;所述内核采用非易失性存储工艺中的内核器件；所述对外接口电路包括I/O电路，所述对外接口电路采用非易失性存储工艺中的内核器件和非易失性存储工艺中的高压器件，所述对外接口电路具有电平转换电路，所述电平转换电路包括(Tvtoe信号到(T5V信号的电平转换电路，以及(T5V信号到信号的电平转换电路。传统的低电压到高电压的电平转换电路，仅仅将其I/O器件替换为高压器件，是无法直接应用在5V环境中的。高压器件的阈值电压相对要高得多，用(TVam信号直接控制高压器件时会导致高压器件开关不完全，造成电平转换电路工作异常。因此，所述(Tvam信号到(T5V信号的电平转换电路需要对传统电路结构进行调整改进。所述(Tvtoe信号到(T5V信号的电平转换电路的一种实施方式，包括第一反相器、第一 NMOS晶体管、第二 NMOS晶体管、第三NMOS晶体管、第四NMOS晶体管、第一 PMOS晶体管、第二 PMOS晶体管、第二反相器。所述第一反相器的输入以及第一NMOS晶体管的栅极输入为(TVtoe信号，所述第一反相器的输出端连接第二 NMOS晶体管的栅极。所述第一反相器内的晶体管为非易失性存储工艺中的内核器件。所述第一 NMOS晶体管和第二 NMOS晶体管的源极连接地电压，漏极分别连接第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管的源极。所述第一 NMOS晶体管和第二 NMOS晶体管为非易失性存储工艺中的I/O器件，便于(TVam信号直接控制。所述第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管的栅极连接参考电压VMf，漏极分别连接第一 PMOS晶体管和第二 PMOS晶体管的漏极。所述第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管为非易失性存储工艺中的高压器件或者非易失性存储工艺中的I/O器件，具有分压保护作用，使第一 NMOS晶体管、第二 NMOS晶体管、第三NMOS晶体管、第四NMOS晶体管工作在安全电压范围之内。所述第一 PMOS晶体管和第二 PMOS晶体管交叉耦合连接，且源极连接5V电源电压。所述第一 PMOS晶体管和第二 PMOS晶体管为非易失性存储工艺中的高压器件。所述第二反相器的输入连接第二 PMOS晶体管的漏极，输出(T5V信号。所述第二反相器内的晶体管为非易失性存储工艺中的高压器件。所述单片机可以是51单片机。有益效果: 与现有技术相比，本专利技术的单片机具有以下优点: (I)本专利技术采用全内置降压电源系统把外部5V输入电压降为内核所需要的电源电压Vtoe，使得单片机芯片不需要从外部输入低的电源电压，仅需要单独的5V电源电压即可。单片机适合5V电源的应用环境。(2)内核通常包括大规模的数模混合电路，本专利技术在内核中采用非易失性存储工艺中的尺寸较小的内核器件，能够大大减小内核的面积，从而减小芯片面积，降低芯片成本。(3)本专利技术在I/O及其他对外接口电路中，一方面加入高压器件，另一方面改进传统的电平转换电路，实现了 (Tvtoe信号到(T5V信号的双向传输，单片机芯片能够与5V应用环境中的外部设备直接通信，不需要外部电平转换设备，减小PCB板的面积和布局布线复杂度以及总体成本。单片机适合5V信号的应用环境。(4)本专利技术的单片机芯片能够采用特征尺寸较小的新工艺设计制造，例如深亚微米非易失性存储工艺，芯片的集成度更高，适应未来芯片的发展趋势。(5)本专利技术的单片机芯片在设计制造过程中，不需要增加额外的半导体材料、制作步骤、光掩膜等，附加成本低，实用性强，可提高单片机在5V应用环境中的竞争力。(6)由于外部引脚相同，本专利技术的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于5V应用环境的单片机，其特征是：所述单片机至少包括全内置降压电源系统、内核、对外接口电路；所述全内置降压电源系统采用非易失性存储工艺中的高压器件和/或非易失性存储工艺中的I/O器件，所述全内置降压电源系统提供内核电源电压VCore，且内核电源电压VCore＜5V；所述内核采用非易失性存储工艺中的内核器件；所述对外接口电路包括I/O电路，所述对外接口电路采用非易失性存储工艺中的内核器件和非易失性存储工艺中的高压器件，所述对外接口电路具有电平转换电路，所述电平转换电路包括0~VCore信号到0~5V信号的电平转换电路，以及0~5V信号到0~VCore信号的电平转换电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王春华，
申请(专利权)人：江苏沁恒股份有限公司，
类型：发明
国别省市：