几个月没更新了，之前说的LDO专题也被我咕咕了，佛系写手。最近学了个有趣的东西，唤起了我对物理学的敬仰，写出来跟大家分享分享。

声明：本人不是专门研究Level Shifter 的，只是最近工作需要，学习了一下，如有不妥，欢迎讨论。

我们首先来看一个图

这是一个最简单的Level Shifter，其作用是将电平从0～Vin转换到0～VDDH。

具体工作原理，简单点讲就是：

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，通过反向器最终输出VDDH。

看起来似乎很简单是吧？不过如果你管子尺寸设置得不够好，这玩意儿是没法正常work的。为什么呢？我们来仔细分析一下：

我们已经知道，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，嗯，自然的，VD拉到0。等一等！不要急，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。你可能会疑惑，如果那这俩都导通都有电流，VD电压怎么办？

要知道，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。

此处上拉神书里这个图：

那VD怎么办？幸好，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。看到这里，你可能觉得答主该回头重新念个大一好好学一学电分，因为这个时候连KCL都特么不满足了。但其实不是的：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。

最精彩的地方就来了。

注意，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。

但是，会不会某一时刻他俩电流一样了呢？当然有可能。那下一刻会怎么样？分两种情况，第一种情况，如果他俩相等的时候，VD的电压比较高，不能使得M4导通，那么不出意外，他俩会一直保持这个电流。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，然后经过反向器输出VDDH。

第二种是我们想要的，第一种是我们需要避免的。那么怎么保证他一定能是第二种状态呢？

看到这里我不知道你有没有觉得上面这个模型有点眼熟：一个小木块m以初速度V0冲到一个静止的木板M上，假设地面光滑，两者接触面粗糙。m一直减速，M一直加速，但是m速度始终比M大，如果共速时m还未脱离M，那么不出意外，它俩会一直以一个共同速度运动下去，系统保持稳定；如果共速前m就已经脱离了M，那么就算任务完成。对应一下，m和M的速度分别对应M1和M3的电流，电流在时间上的累积量－电荷，这里我们除以一个电容，对应电压。两木块相对位移对应电路中Vd节点寄生电容的电压改变量，即M3的Vds。

在解决这个问题的时候，我们一般是找临界点，当它俩相对位移为M长度时（不记m长度），算出两个木块的速度，相等为临界值。

那么对应到我们的电路中就是，算出当VD下降到VDDH-VTHP时，两个管子的电流，相等为临界值。如下：

解出来的尺寸比，正好就是我们保证电路能正常工作的最小尺寸比。

两句话总结：

1. N管要够大
2. 物理学牛逼

[1] Yashodhan Moghe, Nanosecond Delay Floating High Voltage Level Shifters in a 0.35um HV-CMOS Technology, IEEE Journal of Solid-State Circuits,2011.

[2]Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits.