王佳寧

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

Flash和E2PROM是現(xiàn)在應用最廣的非揮發(fā)性存儲器(Nonvolatile Memory)。在存儲器設(shè)計中功耗、速度、面積一直都是主要考慮的因素，而上述兩類存儲器的編程、擦除操作都需要高壓，系統(tǒng)中會有多個高壓產(chǎn)生電路(即電荷泵電路)［1］。隨著電源電壓的不斷降低，電荷泵電路的工作能力和效率越來越差，同時占據(jù)芯片的面積越來越大，所以電荷泵電路的設(shè)計和優(yōu)化對整個存儲器的設(shè)計和優(yōu)化具有非常重要的作用。

2 電荷泵基本結(jié)構(gòu)

大多數(shù)電荷泵電路采用Dickson提出的電路結(jié)構(gòu)［2］，其將 MOS管作為整流器件并且用多晶 －擴散－多晶電容作為電荷儲存器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1給出了正壓電荷泵的基本結(jié)構(gòu)，負壓電荷泵是將圖中的NMOS換為PMOS，將電源電壓Vdd換為Gnd即可。

圖1 Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)

電荷泵電路是N級相同的電路組成的，每級電路由兩個NMOS M1，M2和兩個電容C1，C2組成，三極管的柵－漏短接。在這種結(jié)構(gòu)下，三極管起到整流器件的作用，兩個電容C1、C2的下極板分別接到CLK1和CLK2上，CLK1和CLK2為同周期非重疊時鐘。所需的級數(shù)N由電路工作電壓Vdd和目標電壓Vpp決定。工作電壓相對目標電壓越低，需要越多級的電荷泵電路。通常來說，對于Vpp=10V－12V，Vcc=3V需要5到7級的電荷泵電路。通常狀態(tài)下所有的三極管閾值一致，電荷泵輸出的理論值Vout:

其中Vin是第一級輸入電壓通常為Vdd，CS為C1、C2上極板的寄生電容，C=C1=C2，Vt是整流管閾值即三極管閾值，f是時鐘頻率，Vclk是時鐘信號的振幅，Iout是輸出電流。

3 低壓低功耗電荷泵電路設(shè)計

3.1 低電源電壓電荷泵設(shè)計

隨著電源電壓降低，電荷泵工作能力和效率越來越低，這時為了提高系統(tǒng)工作能力和效率，可以采用多次升壓的方式取代傳統(tǒng)的單步高壓轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 兩種升壓模式示意圖

同時，考慮到NMOS管閾值電壓和襯偏效應的影響，尤其是靠近高壓輸出端的NMOS管，當閾值電壓等于每個結(jié)點的電壓波動時，電荷泵電路的增益最小。因此，為了提高電荷泵電路的增益，需要降低NMOS管的閾值電壓和襯偏效應。

可以考慮采用低閾值電壓的NMOS管來改善電荷泵電路的高壓輸出能力，達到提高電荷泵的增益和效率，降低其功耗的目的。對于襯偏效應可以考慮襯底電壓調(diào)制電路，如圖3所示是負壓電荷泵襯底電位調(diào)制電路。當負壓電荷泵不工作時，EN=’0’，Vsub=Vdd;當負壓電荷泵工作時，En=’1’。隨著電荷泵電壓 VPN的產(chǎn)生，Vsub逐漸從Vdd變?yōu)?V，達到對Pmos管襯底閾值的調(diào)制作用。

圖3 負壓電荷泵襯底電壓調(diào)制電路

3.2 大驅(qū)動和低功耗設(shè)計

非易失存儲器在編程或擦除時，如果加載的電壓波動較大，會造成編程或者擦除后存儲單元的閾值電壓分散性加大，因此有必要對電荷泵輸出電壓進行穩(wěn)壓，降低其波動性。為了達到這個目的，可以采用泄放通路來控制輸出高壓［3］，即當輸出電壓高于目標值，它會通過一個泄放管將高壓輸出端的電荷泄放掉，以降低輸出高壓，達到穩(wěn)壓效果，但這種方式功耗大?；蛘吒鶕?jù)輸出的電壓值大小來調(diào)節(jié)驅(qū)動時鐘的頻率以穩(wěn)定電荷泵的輸出［4］。這種方法可以有效降低電荷泵電路的功耗，但高壓波動性較大。

非易失存儲器在編程時需要很大的電流驅(qū)動能力，并且編程位數(shù)不同需要不同的編程電流。針對大驅(qū)動電荷泵功耗大、波動大的特點，結(jié)合耦合電容分離法和動態(tài)改變耦合電容法來自動改變電荷泵的驅(qū)動能力，以適應在編程時因編程位數(shù)不同而需要不同驅(qū)動電流的問題，這樣可以降低電荷泵的功耗，提高輸出高壓精度。

如圖4所示，該電路采用電容分離法［5］實現(xiàn)電荷泵驅(qū)動能力的動態(tài)控制。電路中耦合電容C1和C2并聯(lián)，C2支路由傳輸門控制(控制信號 STP_CAP)，當STP_CAP為低時，電荷泵的耦合電容為C1和C2之和，電荷泵驅(qū)動能力最大;當STP_CAP為高時，電荷泵的耦合電容只有C1，電荷泵驅(qū)動能力降低，功耗也隨著降低。還可以通過控制STP_CAP的電位來控制傳輸門的導通能力，從而控制耦合電容C2的充放電時間常數(shù)，以實現(xiàn)對電荷泵驅(qū)動能力的連續(xù)動態(tài)控制。此結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)節(jié)省功耗和提高輸出電壓精度的目的，對實際應用非常適用。

圖4 電容分離法示意圖

4 結(jié) 束 語

鑒于非易失存儲器廣泛應用于手持設(shè)備，電源電壓的變低使得電荷泵的工作效率不斷降低。本論文針對低壓、低功率分別對電荷泵設(shè)計提出了解決方案，在低壓設(shè)計中可以采用多次升壓等提高電荷泵效率和增益的方法;在低功耗設(shè)計中提出了電容分離法動態(tài)控制輸出負載。

［1］Joe E Brewer，Manzur Gill.Nonvolatile memory technologies with emphasis on flash［M］.America:A John wiley＆sons，INC.，Publication.

［2］Dickson J F.On－chip high－voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique［J］.IEEE J.Solid － State Circuits，1976，11(3):374－378.

［3］Van B，Michael A，Johnny C，et al.VPP Power Supply having a Regulator Circuit forControlling a Regulated Positive Potential.U.S.Patent，5291446［P］.March 1994.http://www.patentbuddy.com/Patent/5291446.

［4］Kamoulakos G，Chrisanthopoulos A，Tsiatouhas Y，et al.Management of charge pump circuits［J］.Integration，the VLSI journal，2000，30(1):91 －101.

［5］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.武漢:高等教育出版社，1996.