基于共享技術(shù)的電荷泵電路

　　摘 要：為了減少芯片面積，提高電荷泵的增益，提出一種基于共享技術(shù)的電荷泵電路。通過改變兩個(gè)子電荷泵的串并連接關(guān)系，既可以產(chǎn)生一種電壓較高而電流驅(qū)動(dòng)能力較小的負(fù)高壓，也可以產(chǎn)生一種電壓較低但是電流驅(qū)動(dòng)能力很大的負(fù)高壓，這不僅滿足了系統(tǒng)在編程和擦除時(shí)對高壓的不同需求，而且還節(jié)省了大約50％的芯片面積。電荷泵電路還采取了對其中P型MOS管的襯底電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的方法。模擬結(jié)果表明，該電荷泵的增益提高了大約14%。該電路特別適用于需要兩種以上負(fù)高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲(chǔ)器。

　　關(guān)鍵詞：電荷泵；共享；快閃存儲(chǔ)囂；驅(qū)動(dòng)能力

　　電子可擦除可編程存儲(chǔ)器(electrically-erasableprogrammable read-only memory，EEPROM)和快閃存儲(chǔ)器在編程和擦除操作時(shí)都需要高壓，因此電荷泵電路在單電源的嵌入式存儲(chǔ)器芯片中扮演著極其重要的作用，其功耗，面積和在低電源電壓下的工作能力等直接影響到整個(gè)存儲(chǔ)芯片的性能。而且在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部一般會(huì)需要不止一種正高壓和負(fù)高壓，所以系統(tǒng)中會(huì)需要多個(gè)正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵，這使得電荷泵所占芯片面積超過整個(gè)存儲(chǔ)器芯片中外圍電路的一半。對于采用帶帶隧穿熱電子注入(band-to-bandtunneling induced hot electron，BBHE)進(jìn)行編程的p溝道DINOR(p-channeldivided bit-line NOR)結(jié)構(gòu)的快閃存儲(chǔ)器，它需要至少一個(gè)正高壓電荷泵和兩個(gè)負(fù)高壓電荷泵。對于采用源極誘導(dǎo)帶帶隧穿熱電子注入(source induced band-to-band hotelectron_，SIBE)方式進(jìn)行編程的新型快閃存儲(chǔ)器，系統(tǒng)總共需要2個(gè)正高壓電荷泵和3個(gè)負(fù)高壓電荷泵。

　　由于電荷泵電路所占據(jù)的面積很大，尤其當(dāng)電源電壓逐漸從5V降到1．8V甚至1．2V時(shí)，要產(chǎn)生足夠的高壓，電荷泵必須要增加級數(shù)或者增大耦合電容的大小，這使得電荷泵電路占據(jù)的面積不斷增加。因此電荷泵的共享技術(shù)在減少芯片面積上非常重要，但是這要么會(huì)增加工藝的難度，要么使得電路結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

　　本文通過改變電荷泵的串并連接關(guān)系，在不增加任何工藝難度和電路復(fù)雜度的情況下，實(shí)現(xiàn)了電荷泵的共享，使得電荷泵電路所占據(jù)的面積大大減少。

　　1 共享技術(shù)電荷泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　表1給出SIBE結(jié)構(gòu)快閃存儲(chǔ)器的典型操作模式，其中編程時(shí)加到位線上的-3．3 V高壓需要提供大于100μA的驅(qū)動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)據(jù)同時(shí)編程。

　　圖l是本文采用的電荷泵系統(tǒng)示意圖，其中8V和5V電荷泵用于產(chǎn)生一個(gè)8V的編程字線電壓和5V的擦除源線電壓Vpp，-8V和-3．3V電荷泵是一個(gè)基于共享技術(shù)的電荷泵電路，它可以產(chǎn)生-8V(驅(qū)動(dòng)能力大于10μA)的字線擦除電壓和-3．3 V(驅(qū)動(dòng)能力大于l00μA)的位線編程電壓Vnp。而-4．8V電荷泵則產(chǎn)生加到選擇柵上的-4．8V高壓Vnc，用于把-3．3V的編程電壓傳遞到選中的存儲(chǔ)單元上，以及用在位線電壓轉(zhuǎn)換模塊中。鉗位電路的作用是對輸出高壓進(jìn)行鉗位，使得輸出高壓穩(wěn)定在所需要的電壓值上。而在電路停止工作時(shí)，通過泄放通路可以把輸出端的電壓置為OV。

　　為了降低芯片面積而提出的基于共享技術(shù)的負(fù)高壓電荷泵電路見圖2，它可以產(chǎn)生-8V和-3．3V兩種負(fù)高壓，其中Ve和Vp是高壓控制信號，Ve可以在Vnp和電源電壓VDD之間轉(zhuǎn)換，而Vp可以在-4．8V和VDD之間轉(zhuǎn)換，其中-4．8V來源于-4．8V電荷泵。其輸入輸出關(guān)系如表2所示。當(dāng)需要產(chǎn)生-3．3V電壓時(shí)，讓Ve等于VDD，而置Vp為 -4．8 V，系統(tǒng)可以看作是兩個(gè)三級的子電荷泵

　　(分別由PMOS管M1-M4，耦合電容C1-C3和PMOS管M5-M8，耦合電容C4-C6組成)的并聯(lián)，在兩相非重疊時(shí)鐘CKl和CK2的驅(qū)動(dòng)下，Vnp輸出-3．3V電壓，由于連接到C3和C6上的時(shí)鐘信號分別為CKl和CK2，所以兩個(gè)子電荷泵在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將分別對輸出端Vnp充電一次。這不僅大大降低了輸出端電壓的波動(dòng)性，同時(shí)還增加了輸出端的驅(qū)動(dòng)能力，滿足了多位同時(shí)編程時(shí)對大驅(qū)動(dòng)電流的需求。如果系統(tǒng)需要-8V的高壓，把Vp置為VDD，而把Ve連接到高壓輸出端Vnp，這樣M10將被關(guān)斷，而剛開始時(shí)由于Vnp為0V，所以M9不會(huì)導(dǎo)通，電路仍舊處于兩個(gè)子電荷泵并聯(lián)工作狀態(tài)，只是它們的輸出端被M10隔開。隨著Vnp由0V逐漸變小，它的電壓將低于節(jié)點(diǎn)N2的電壓，M9會(huì)逐漸導(dǎo)通，此時(shí)系統(tǒng)可以看作是一個(gè)六級的電荷泵(由M1-M4和M6-M8以及C1-C6組成)，最終系統(tǒng)將產(chǎn)生-8V的高壓。這樣，和采用兩個(gè)獨(dú)立電荷泵分別產(chǎn)生-8V和-3．3V的方法相比，該電荷泵可以節(jié)省大約50％的芯片面積。需要注意的是M6-M8的襯底電壓由Vsub控制，這主要是為了降低它們的襯偏效應(yīng)，增加電荷泵的增益。

　　共享技術(shù)電荷泵的Ve、Vp時(shí)序由圖3所示的電壓轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生。圖3a可以實(shí)現(xiàn)Ve在VDD和vnp之間的轉(zhuǎn)換，而圖3b實(shí)現(xiàn)Vp在VDD和- 4．8V之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合圖2，其工作模式見表2。當(dāng)控制信號Vpe為高時(shí)，電荷泵產(chǎn)生-8V高壓，而當(dāng)Vpe為低時(shí)，電荷泵產(chǎn)生-3．3V高壓。

　　為了降低共享電荷泵中PMOS管的襯偏效應(yīng)，提高電荷泵的增益，本文采用了一個(gè)襯底電壓控制模塊，見圖4所示。其中Vnp連接到-8V和-3．3V電荷泵的輸出端，Vpe是控制信號。其中NMOS管Mw1和MN2以及PMOS管Mp2和MP3構(gòu)成兩對電流鏡。當(dāng)Vpe為OV時(shí),該模塊將不工作，節(jié)點(diǎn)V3等于OV，輸出端Vsub的電壓等于VDD，并送到圖2中的Vsub端，且電荷泵將產(chǎn)生-3．3V高壓。當(dāng)Vpe為高時(shí)，該模塊開始工作，隨著圖2中電荷泵的工作，Vnp將由0V逐漸降低，PMOs管MH的導(dǎo)通能力逐漸增大，Mp3和Mp2的柵極電壓將逐漸降低，這樣Mp2的導(dǎo)通能力逐漸增大，倒相器輸入端的電壓將由OV逐漸上升，最終倒相器INV開始翻轉(zhuǎn)，Vsub的電壓將由初始的VDD變成OV。通過調(diào)整圖中PMOS和NMOS管的尺寸就可以保證當(dāng)Vsub變成OV時(shí)，圖2中PMOS管Mp6-Mp8的p-n結(jié)不會(huì)正偏。這樣就減輕了Mp6-Mp8的襯偏效應(yīng)，提高了電荷泵的增益。

　　2 模擬結(jié)果

　　為了驗(yàn)證本文所述電荷泵的性能，采用清華大學(xué)微電子所開發(fā)的1．4 μm高壓工藝參數(shù)，用軟件HSPICE對其進(jìn)行了模擬。其中高壓NMOS管的閾值電壓為0．7 V，高壓PMOS管的閾值電壓為-0．8V。優(yōu)化后的耦合電容C1到C6均為12pf，所用的時(shí)鐘頻率為20MHz，電源電壓VDD為5．0V。

　　圖5是電荷泵電路的模擬波形圖。其中Vwkrk是控制信號，當(dāng)Vwork為高時(shí)，輸入時(shí)鐘CKl和CK2，電荷泵電路開始工作。當(dāng)Vwork為低時(shí)，時(shí)鐘停止輸入，電荷泵電路不工作，只是通過泄放通路把輸出端Vnp的電荷泄放到地。從圖5可以看到，當(dāng)Vpe為低時(shí)，Vp為-4．8V，而Ve等于5．OV，電荷泵電路的輸出電壓Vnp等于-3．3V。當(dāng)Vpe為高時(shí)，Vp等于5．0V，而Ve和Vnp的電壓一致，最終系統(tǒng)輸出電壓Vnp等于-8V。而且可以看到，當(dāng)負(fù)高壓電荷泵工作一段時(shí)間，Vnp達(dá)到-5V后，Vsub的電壓將由5．0V變?yōu)?V，這降低了PMOS管Mp6-Mp8的襯偏效應(yīng)，使得高壓輸出端Vnp的波形上出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)Ncg,而且拐點(diǎn)后的電壓下降的速度明顯加大并最終達(dá)到-8V(其中虛線部分是沒有采用襯底電壓控制模塊時(shí)Vnp的波形，其電壓最終只能下降到-7V)，這使得電荷泵的增益提高了大約14％。

　　3 結(jié) 論

　　本文提出一種基于共享技術(shù)的電荷泵電路，通過改變兩個(gè)子電荷泵的串并連接關(guān)系，可以在同一個(gè)電路中產(chǎn)生所需的兩種負(fù)高壓，從而節(jié)省了大約50％的芯片面積。通過一個(gè)襯底電壓控制模塊對電荷泵中PMOS管的襯底電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，使電荷泵的增益提高了大約14％。該電路特別適用于需要兩種以上負(fù)高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲(chǔ)器。