一種低壓開關(guān)電荷泵的設(shè)計

摘要：設(shè)計了一款應(yīng)用于亞微米工藝的傳輸只讀存儲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。單閾值開關(guān)電荷泵能實現(xiàn)內(nèi)部高壓結(jié)點只高于編程一個閾值電壓，使開關(guān)電荷泵在傳送高壓時能安全工作。電路在TSMC 0．35μm工藝得到仿真驗證。
關(guān)鍵詞：單閾值；電荷泵；只讀存儲器

    電荷泵是一種運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、動態(tài)隨機(jī)存儲器等需要高壓的領(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，電壓倍增電荷泵，電壓三倍電荷泵。因只讀存儲器芯片的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時間保存，PROM的基本單元在編程時需要過毫安級別以上的電流，所以只讀存儲器編程時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，對應(yīng)的柵氧擊穿電壓，源漏穿通電壓也不斷減小。只讀存儲器的編程高壓的傳遞變得很困難，傳統(tǒng)的應(yīng)用于只讀存儲器中的電荷泵因為內(nèi)部高壓結(jié)點峰值要高于編程電壓兩個閾值電壓，導(dǎo)致我們在設(shè)計此類電荷泵時，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現(xiàn)。為降低應(yīng)用于只讀存儲器電荷泵的內(nèi)部高壓節(jié)點電壓，同時保證電荷泵傳送的編程電壓紋波很小，本文設(shè)計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CLEAR端為VDD，因N4管柵極為恒定電源電壓VDD，所以初始時結(jié)點3的電壓V3o=VDD-VTH4，N5管導(dǎo)通，編程結(jié)點4接地。電荷泵開始工作，CLK為固定周期的方波信號。
    第1個周期，當(dāng)結(jié)點5從0到VDD，因為電容C1兩端電壓不能突變，另結(jié)點2的寄生電容為C5，則結(jié)點2從0變化到：
    V21=C1×VDD／(C1+CS)            (1)
    因N2為飽和管接法，結(jié)點3的電壓鉗位到
    V31=C1×VDD／(C1+CS)-VTH21      (2)
    當(dāng)結(jié)點5從VDD到0時，結(jié)點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個周期，結(jié)點2和結(jié)點3的電壓V2i，V3i分別為：

    V2i和V3i不斷升高，當(dāng)V3i高于VP一個閾值電壓時，編程電壓VP被完全傳送到編程結(jié)點。
    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，結(jié)點2，3的電壓峰值達(dá)到最大，用V2PEKAmax，V3PEKAmax分別表示。此時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，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)計兩閾值損失電荷泵時將會遇到以下兩個嚴(yán)重甚至無法解決的問題：
    問題一：因VTH2i，VTH1i變大，如果在第i個周期時
    C1×VDD／(C1+CS)-VTH2i-VTH1i<0     (7)
    則結(jié)點2抬升的電壓無法維持兩個閾值損失，此時傳到編程結(jié)點的編程電壓VBL<VP。
    問題二：若在電荷泵工作過程中，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。

    此時在40μs的時間，VBL上升到5．423V，編程電壓VP出現(xiàn)1．577V的電壓損失，此時內(nèi)部高壓結(jié)點電壓已經(jīng)達(dá)到9．681V。根據(jù)實際的仿真，兩閾值開關(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。如果外加VDD小于4V時，在某個周期里結(jié)點2抬升的電壓已經(jīng)無法維持兩個閾值損失，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2的電壓峰值達(dá)到10．5V，超過柵氧擊穿電壓10V的限制。

2 單閾值電荷泵的設(shè)計和仿真分析
    兩閾值開關(guān)電荷泵存在兩個問題，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，同時造成內(nèi)部高壓結(jié)點電壓過高。本文設(shè)計的單閾值電荷泵的結(jié)點電壓峰值只需要高于編程電壓一個閾值，編程電壓就能完全傳遞到編程結(jié)點，使以上的兩個問題都得到解決。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2直接被拉到V2o=VP-VTH1，初始時ctrl端為0，N4管關(guān)斷，結(jié)點4抬高，P2管關(guān)斷，此時結(jié)點6為VDO，N5管開啟，因此結(jié)點3被拉低，N2管關(guān)斷，同時N3打開編程結(jié)點7被拉到地。當(dāng)Ctrl為高，clock為固定周期的方波信號時，電荷泵開始工作，此時結(jié)點4被拉低，P2管導(dǎo)通，同時結(jié)點6為低，N5管關(guān)斷，因此結(jié)點3的電壓等于結(jié)點2的電壓，同時N3管關(guān)斷，編程結(jié)點被釋放出來。第一個周期結(jié)點5從0變化到VDD時，令結(jié)點2的寄生電容為CS，結(jié)點2的電壓被拉到
    V21=VDD×C1／(C1+CS)+VP-VTH1    (8)
    當(dāng)結(jié)點5從VDD到0時，結(jié)點2的電壓又被拉到V2o=VP-VTH1。在編程過程中結(jié)點2的電壓一直在兩個電壓內(nèi)來回跳變，即結(jié)點3的電壓也在兩個電壓之間來回跳變。要使編程電壓VP完全傳遞到編程結(jié)點，結(jié)點3的最大電壓至少大于編程電壓VP一個閾值電壓，即
    V2PEAKmax=V3PEAK≥VP+VTH2       (9)
    從上面公式可知，該電荷泵結(jié)點2電壓峰值只需要比編程電壓提高一個閾值電壓，這基本解決了兩閾值電荷泵的第二個問題，同時峰值電壓降低一個閾值電壓N1，N2的體效應(yīng)相對兩閾值電荷泵更低，第一個問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時單閾值開關(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7V的編程電壓可以完全傳到編程結(jié)點。

3 結(jié)束語
    本文設(shè)計的應(yīng)用于亞微米或者深亞微米的只讀存儲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)點的威脅，同時也在改善了因體效應(yīng)變化使編程電壓出現(xiàn)傳輸損失的問題。電路結(jié)構(gòu)在臺積電0．35微米的工藝得到仿真驗證。