一種低壓開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電荷泵應(yīng)用存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)。單閾值開(kāi)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(kāi)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：?jiǎn)伍撝?；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(lèi)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(zhǎng)時(shí)間保存，PROM的基本單元在編程時(shí)需要過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(lèi)電荷泵時(shí)，工藝擊穿電壓的限制成為嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至兩閾值損失的電荷泵無(wú)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(wèn)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(kāi)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)
    第i個(gè)周期，結(jié)點(diǎn)2和結(jié)點(diǎn)3的電壓V2i，V3i分別為：

    V2i和V3i不斷升高，當(dāng)V3i高于VP一個(gè)閾值電壓時(shí)，編程電壓VP被完全傳送到編程結(jié)點(diǎn)。
    但隨著震蕩周期數(shù)的增加，VTH2i，VTH1i的值增大。當(dāng)電荷泵進(jìn)入穩(wěn)態(tài)且VP能完整傳遞到編程結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)2，3的電壓峰值達(dá)到最大，用V2PEKAmax，V3PEKAmax分別表示。此時(shí)N1，N2，N3管的體效應(yīng)最大，其閾值電壓達(dá)到最大值，用VTH1max，VTH2max，VTH3max分別表示。為了使編程高壓VP完全傳到編程結(jié)點(diǎn)，則
    V2PEKAmax≥VTH2max+VTH3max+VP      (6)
    隨著工藝尺寸的縮小，工作電壓VDD，柵源擊穿電壓BVGS，源漏擊穿電壓BVDS，源襯底PN結(jié)擊穿電壓BVSB都降低。設(shè)計(jì)兩閾值損失電荷泵時(shí)將會(huì)遇到以下兩個(gè)嚴(yán)重甚至無(wú)法解決的問(wèn)題：
    問(wèn)題一：因VTH2i，VTH1i變大，如果在第i個(gè)周期時(shí)
    C1×VDD／(C1+CS)-VTH2i-VTH1i<0     (7)
    則結(jié)點(diǎn)2抬升的電壓無(wú)法維持兩個(gè)閾值損失，此時(shí)傳到編程結(jié)點(diǎn)的編程電壓VBL<VP。
    問(wèn)題二：若在電荷泵工作過(guò)程中，V2i>BVGS，柵氧擊穿；V2i>BVSB，N+／PWELL的PN結(jié)擊穿。
1．2 傳統(tǒng)的兩閾值電荷泵的仿真結(jié)果和問(wèn)題分析
    將傳統(tǒng)的兩閾值電荷泵在TSMC 0．35μm的CMOS工藝上，我們假設(shè)VP為7V，工作電壓為3．3V仿真結(jié)果如圖2所示。

    此時(shí)在40μs的時(shí)間，VBL上升到5．423V，編程電壓VP出現(xiàn)1．577V的電壓損失，此時(shí)內(nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)達(dá)到9．681V。根據(jù)實(shí)際的仿真，兩閾值開(kāi)關(guān)電荷泵至少工作在VDD=5V下才能將VP完全傳遞到編程結(jié)點(diǎn)。如果外加VDD小于4V時(shí)，在某個(gè)周期里結(jié)點(diǎn)2抬升的電壓已經(jīng)無(wú)法維持兩個(gè)閾值損失，傳送的編程電壓不再繼續(xù)抬升而出現(xiàn)損失。并且在4V的VDD下，結(jié)點(diǎn)2的電壓峰值達(dá)到10．5V，超過(guò)柵氧擊穿電壓10V的限制。

2 單閾值電荷泵的設(shè)計(jì)和仿真分析
    兩閾值開(kāi)關(guān)電荷泵存在兩個(gè)問(wèn)題，根本原因是管子的體效應(yīng)不斷增加，導(dǎo)致傳送的編程電壓出現(xiàn)閾值損失，同時(shí)造成內(nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)電壓過(guò)高。本文設(shè)計(jì)的單閾值電荷泵的結(jié)點(diǎn)電壓峰值只需要高于編程電壓一個(gè)閾值，編程電壓就能完全傳遞到編程結(jié)點(diǎn)，使以上的兩個(gè)問(wèn)題都得到解決。圖3是單閾值電荷泵的原理分析圖。

    外加編程電壓VP，結(jié)點(diǎn)2直接被拉到V2o=VP-VTH1，初始時(shí)ctrl端為0，N4管關(guān)斷，結(jié)點(diǎn)4抬高，P2管關(guān)斷，此時(shí)結(jié)點(diǎn)6為VDO，N5管開(kāi)啟，因此結(jié)點(diǎn)3被拉低，N2管關(guān)斷，同時(shí)N3打開(kāi)編程結(jié)點(diǎn)7被拉到地。當(dāng)Ctrl為高，clock為固定周期的方波信號(hào)時(shí)，電荷泵開(kāi)始工作，此時(shí)結(jié)點(diǎn)4被拉低，P2管導(dǎo)通，同時(shí)結(jié)點(diǎn)6為低，N5管關(guān)斷，因此結(jié)點(diǎn)3的電壓等于結(jié)點(diǎn)2的電壓，同時(shí)N3管關(guān)斷，編程結(jié)點(diǎn)被釋放出來(lái)。第一個(gè)周期結(jié)點(diǎn)5從0變化到VDD時(shí)，令結(jié)點(diǎn)2的寄生電容為CS，結(jié)點(diǎn)2的電壓被拉到
    V21=VDD×C1／(C1+CS)+VP-VTH1    (8)
    當(dāng)結(jié)點(diǎn)5從VDD到0時(shí)，結(jié)點(diǎn)2的電壓又被拉到V2o=VP-VTH1。在編程過(guò)程中結(jié)點(diǎn)2的電壓一直在兩個(gè)電壓內(nèi)來(lái)回跳變，即結(jié)點(diǎn)3的電壓也在兩個(gè)電壓之間來(lái)回跳變。要使編程電壓VP完全傳遞到編程結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)3的最大電壓至少大于編程電壓VP一個(gè)閾值電壓，即
    V2PEAKmax=V3PEAK≥VP+VTH2       (9)
    從上面公式可知，該電荷泵結(jié)點(diǎn)2電壓峰值只需要比編程電壓提高一個(gè)閾值電壓，這基本解決了兩閾值電荷泵的第二個(gè)問(wèn)題，同時(shí)峰值電壓降低一個(gè)閾值電壓N1，N2的體效應(yīng)相對(duì)兩閾值電荷泵更低，第一個(gè)問(wèn)題也得到了一定程度上的優(yōu)化。
    在編程電壓為7V，工作電壓為3．3V時(shí)單閾值開(kāi)關(guān)電荷泵的仿真結(jié)果如圖4所示。

    仿真結(jié)果顯示，該電路的峰值電壓只高于編程電壓1．593V，此時(shí)7V的編程電壓可以完全傳到編程結(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于亞微米或者深亞微米的只讀存儲(chǔ)器的單閾值電荷泵解決了兩閾值電荷泵產(chǎn)生的內(nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)的威脅，同時(shí)也在改善了因體效應(yīng)變化使編程電壓出現(xiàn)傳輸損失的問(wèn)題。電路結(jié)構(gòu)在臺(tái)積電0．35微米的工藝得到仿真驗(yàn)證。