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(guò)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動(dòng)能力較小的負高壓，也可以產(chǎn)生一種電壓較低但是電流驅動(dòng)能力很大的負高壓，這不僅滿(mǎn)足了系統在編程和擦除時(shí)對高壓的不同需求，而且還節省了大約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高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲器。

　　關(guān)鍵詞：電荷泵；共享；快閃存儲囂；驅動(dòng)能力

　　電子可擦除可編程存儲器(electrically-erasableprogrammable read-only memory，EEPROM)和快閃存儲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器芯片中扮演著(zhù)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)存儲芯片的性能。而且在實(shí)際應用中，一個(gè)存儲器芯片內部一般會(huì )需要不止一種正高壓和負高壓，所以系統中會(huì )需要多個(gè)正高壓電荷泵和負高壓電荷泵，這使得電荷泵所占芯片面積超過(guò)整個(gè)存儲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)結構的快閃存儲器，它需要至少一個(gè)正高壓電荷泵和兩個(gè)負高壓電荷泵。對于采用源極誘導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器，系統總共需要2個(gè)正高壓電荷泵和3個(gè)負高壓電荷泵。

　　由于電荷泵電路所占據的面積很大，尤其當電源電壓逐漸從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或者增大耦合電容的大小，這使得電荷泵電路占據的面積不斷增加。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，要么使得電路結構變得非常復雜。

　　本文通過(guò)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雜度的情況下，實(shí)現了電荷泵的共享，使得電荷泵電路所占據的面積大大減少。

　　1 共享技術(shù)電荷泵的結構和工作原理

　　表1給出SIBE結構快閃存儲器的典型操作模式，其中編程時(shí)加到位線(xiàn)上的-3．3 V高壓需要提供大于100μA的驅動(dòng)能力，以實(shí)現多位數據同時(shí)編程。

　　圖l是本文采用的電荷泵系統示意圖，其中8V和5V電荷泵用于產(chǎn)生一個(gè)8V的編程字線(xiàn)電壓和5V的擦除源線(xiàn)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(驅動(dòng)能力大于10μA)的字線(xiàn)擦除電壓和-3．3 V(驅動(dòng)能力大于l00μA)的位線(xiàn)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單元上，以及用在位線(xiàn)電壓轉換模塊中。鉗位電路的作用是對輸出高壓進(jìn)行鉗位，使得輸出高壓穩定在所需要的電壓值上。而在電路停止工作時(shí)，通過(guò)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)的負高壓電荷泵電路見(jiàn)圖2，它可以產(chǎn)生-8V和-3．3V兩種負高壓，其中Ve和Vp是高壓控制信號，Ve可以在Vnp和電源電壓VDD之間轉換，而Vp可以在-4．8V和VDD之間轉換，其中-4．8V來(lái)源于-4．8V電荷泵。其輸入輸出關(guān)系如表2所示。當需要產(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?xún)蓚€(gè)子電荷泵在一個(gè)時(shí)鐘周期內將分別對輸出端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動(dòng)能力，滿(mǎn)足了多位同時(shí)編程時(shí)對大驅動(dòng)電流的需求。如果系統需要-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(kāi)始時(shí)由于Vnp為0V，所以M9不會(huì )導通，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(kāi)。隨著(zhù)Vnp由0V逐漸變小，它的電壓將低于節點(diǎn)N2的電壓，M9會(huì )逐漸導通，此時(shí)系統可以看作是一個(gè)六級的電荷泵(由M1-M4和M6-M8以及C1-C6組成)，最終系統將產(chǎn)生-8V的高壓。這樣，和采用兩個(gè)獨立電荷泵分別產(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，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所示的電壓轉換模塊產(chǎn)生。圖3a可以實(shí)現Ve在VDD和vnp之間的轉換，而圖3b實(shí)現Vp在VDD和- 4．8V之間的轉換。結合圖2，其工作模式見(jiàn)表2。當控制信號Vpe為高時(shí)，電荷泵產(chǎn)生-8V高壓，而當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，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(jiàn)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構成兩對電流鏡。當Vpe為OV時(shí),該模塊將不工作，節點(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Vpe為高時(shí)，該模塊開(kāi)始工作，隨著(zhù)圖2中電荷泵的工作，Vnp將由0V逐漸降低，PMOs管MH的導通能力逐漸增大，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(kāi)始翻轉，Vsub的電壓將由初始的VDD變成OV。通過(guò)調整圖中PMOS和NMOS管的尺寸就可以保證當Vsub變成OV時(shí)，圖2中PMOS管Mp6-Mp8的p-n結不會(huì )正偏。這樣就減輕了Mp6-Mp8的襯偏效應，提高了電荷泵的增益。

　　2 模擬結果

　　為了驗證本文所述電荷泵的性能，采用清華大學(xué)微電子所開(kāi)發(fā)的1．4 μm高壓工藝參數，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Vwork為高時(shí)，輸入時(shí)鐘CKl和CK2，電荷泵電路開(kāi)始工作。當Vwork為低時(shí)，時(shí)鐘停止輸入，電荷泵電路不工作，只是通過(guò)泄放通路把輸出端Vnp的電荷泄放到地。從圖5可以看到，當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Vpe為高時(shí)，Vp等于5．0V，而Ve和Vnp的電壓一致，最終系統輸出電壓Vnp等于-8V。而且可以看到，當負高壓電荷泵工作一段時(shí)間，Vnp達到-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，使得高壓輸出端Vnp的波形上出現一個(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到-8V(其中虛線(xiàn)部分是沒(méi)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 論

　　本文提出一種基于共享技術(shù)的電荷泵電路，通過(guò)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)生所需的兩種負高壓，從而節省了大約50％的芯片面積。通過(guò)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高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲器。