一種低壓開關(guān)電荷泵的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于亞微米工藝的傳輸只讀存儲(chǔ)器的編程高壓的單閾值開關(guān)電荷泵。隨著亞微米和深亞微米工藝的應(yīng)用，N+／PWLL結(jié)反向擊穿電壓和柵氧擊穿電壓都明顯降低，用于只讀存儲(chǔ)器傳送編程電壓的兩閾值開關(guān)電荷泵應(yīng)用存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)。單閾值開關(guān)電荷泵能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)只高于編程一個(gè)閾值電壓，使開關(guān)電荷泵在傳送高壓時(shí)能安全工作。電路在TSMC 0．35μm工藝得到仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：單閾值；電荷泵；只讀存儲(chǔ)器

電荷泵是一種運(yùn)用電荷在電容器中積累產(chǎn)生高壓的電路，它廣泛應(yīng)用于串口通信電路、EEPROM、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器等需要高壓的領(lǐng)域。電荷泵分大功率電荷泵和小功率電荷泵。根據(jù)不同的應(yīng)用，電荷泵的種類不同，內(nèi)部直接產(chǎn)生高壓的電荷泵有：雙極DICKSON電荷泵，MOSDIC-KSON電荷泵，四模式電荷泵設(shè)計(jì)，電壓倍增電荷泵，電壓三倍電荷泵。因只讀存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時(shí)間保存，PROM的基本單元在編程時(shí)需要過毫安級(jí)別以上的電流，所以只讀存儲(chǔ)器編程時(shí)一般都采用外加編程高壓，內(nèi)部的電荷泵只是起著開關(guān)的作用，在編程的時(shí)候傳遞編程高壓，并提供大電流通路?，F(xiàn)在應(yīng)用于只讀存儲(chǔ)器的電荷泵是兩閾值電荷泵。
隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，工藝尺寸的不斷減小，基本器件的柵氧厚度，最小溝道長度不斷減小，對(duì)應(yīng)的柵氧擊穿電壓，源漏穿通電壓也不斷減小。只讀存儲(chǔ)器的編程高壓的傳遞變得很困難，傳統(tǒng)的應(yīng)用于只讀存儲(chǔ)器中的電荷泵因?yàn)閮?nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)峰值要高于編程電壓兩個(gè)閾值電壓，導(dǎo)致我們?cè)谠O(shè)計(jì)此類電荷泵時(shí)，工藝擊穿電壓的限制成為嚴(yán)重的問題，甚至兩閾值損失的電荷泵無法實(shí)現(xiàn)。為降低應(yīng)用于只讀存儲(chǔ)器電荷泵的內(nèi)部高壓節(jié)點(diǎn)電壓，同時(shí)保證電荷泵傳送的編程電壓紋波很小，本文設(shè)計(jì)了一款單閾值電荷泵。

1 兩閾值電荷泵工作原理和問題
1．1 兩閾值電荷泵的工作原理
電荷泵工作的兩個(gè)理論基礎(chǔ)：電容的兩端電壓不能突變，電荷共享原理。圖1是傳統(tǒng)兩閾值電荷泵的工作原理分析圖。

外加編程電壓為VP，初始時(shí)CLEAR端為VDD，因N4管柵極為恒定電源電壓VDD，所以初始時(shí)結(jié)點(diǎn)3的電壓V3o=VDD-VTH4，N5管導(dǎo)通，編程結(jié)點(diǎn)4接地。電荷泵開始工作，CLK為固定周期的方波信號(hào)。
第1個(gè)周期，當(dāng)結(jié)點(diǎn)5從0到VDD，因?yàn)殡娙軨1兩端電壓不能突變，另結(jié)點(diǎn)2的寄生電容為C5，則結(jié)點(diǎn)2從0變化到：
V21=C1×VDD／(C1+CS) (1)
因N2為飽和管接法，結(jié)點(diǎn)3的電壓鉗位到
V31=C1×VDD／(C1+CS)-VTH21 (2)
當(dāng)結(jié)點(diǎn)5從VDD到0時(shí)，結(jié)點(diǎn)2先被瞬間拉到0，然后又被N1管拉到
C1×VDD／(C1+CS)-VTH21-VTH11 (3)