孫麗莉

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計(jì)方法采用對(duì)Memory存儲(chǔ)器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時(shí)間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿(mǎn)足的電壓的目的，從而提高了存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時(shí)此設(shè)計(jì)方法取消了數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中不必要的對(duì)寄生電容的充電和放電過(guò)程，降低了對(duì)電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類(lèi)型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫(xiě)速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫(xiě)速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類(lèi)，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，地址是從一條數(shù)據(jù)線(xiàn)上依次從高位到低位隨著時(shí)鐘串行輸入，每次只傳送一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。此類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)NOR Flash Memory的性能要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來(lái)NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢(shì)將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對(duì)于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場(chǎng)上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲(chǔ)器單元共有五個(gè)端口，包括Gate柵端（G端，接字線(xiàn)WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個(gè)電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲(chǔ)器存的儲(chǔ)單元在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，字線(xiàn)WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲(chǔ)單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)和對(duì)它不作任何操作時(shí)的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線(xiàn)WL端電壓的建立時(shí)間是提高Flash存儲(chǔ)器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲(chǔ)器讀取時(shí)所需要的字線(xiàn)WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計(jì)的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部的電壓泵電路來(lái)提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時(shí)間內(nèi)把高壓打起來(lái)，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線(xiàn)WL端。通常Flash 存儲(chǔ)器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線(xiàn)WL端時(shí)，所經(jīng)過(guò)路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對(duì)地址選中的字線(xiàn)WL充電的同時(shí)，往往也會(huì)對(duì)這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來(lái)就增加了對(duì)WL的充電時(shí)間，而這個(gè)充電時(shí)間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲(chǔ)器從電壓泵到字線(xiàn)WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計(jì)中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲(chǔ)器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線(xiàn)WL路徑的繞線(xiàn)電容等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個(gè)模塊有沒(méi)有被選中，當(dāng)存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線(xiàn)電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)只選中SEC0～SECN中的一個(gè)）。當(dāng)某一個(gè)模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線(xiàn)WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線(xiàn)WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒(méi)有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對(duì)于字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對(duì)非選中字線(xiàn)WL路徑的充電過(guò)程是電荷浪費(fèi)的過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時(shí)鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開(kāi)始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對(duì)字線(xiàn)WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時(shí)鐘結(jié)束，這個(gè)時(shí)鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時(shí)鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間為J個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間。

有的時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省時(shí)間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會(huì)采用在地址沒(méi)有完全準(zhǔn)備好之前就開(kāi)始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線(xiàn)WL就會(huì)被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開(kāi)始后，就會(huì)有非選中的字線(xiàn)WL到選中的字線(xiàn)WL的切換。這個(gè)切換的過(guò)程包含了對(duì)非選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對(duì)選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過(guò)程中，當(dāng)非選中字線(xiàn)WL從高電壓到低電壓切換時(shí)，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競(jìng)爭(zhēng)，字線(xiàn)WL的充電時(shí)是通過(guò)MP1對(duì)于字線(xiàn)WL提供的上拉電流，字線(xiàn)WL的放電時(shí)則是通過(guò)MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對(duì)字線(xiàn)WL下拉放電的同時(shí)還存在著MP1對(duì)字線(xiàn)WL的上拉充電，這樣的情況會(huì)加大字線(xiàn)WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會(huì)有切換不過(guò)來(lái)的可能性，同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)切換的時(shí)間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時(shí)間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時(shí)所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線(xiàn)WL電壓切換帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的字線(xiàn)WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開(kāi)關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開(kāi)關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開(kāi)始之前，斷開(kāi)電壓泵到所有的選中路徑的開(kāi)關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來(lái)。Flash 存儲(chǔ)器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會(huì)先輸入進(jìn)來(lái)，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開(kāi)電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開(kāi)關(guān)A，開(kāi)始對(duì)相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線(xiàn)電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€(xiàn)WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開(kāi)B開(kāi)關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開(kāi)關(guān)，對(duì)選中的WL的繞線(xiàn)電容充電，因?yàn)檫@部分繞線(xiàn)電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線(xiàn)WL可以在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線(xiàn)WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時(shí)間內(nèi)，字線(xiàn)WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計(jì)方法和一般的設(shè)計(jì)方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對(duì)所需充電的電容選擇在正確的時(shí)間段才開(kāi)始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計(jì)方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開(kāi)始對(duì)整個(gè)路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計(jì)方法把地址輸入期間所有的時(shí)間都利用了起來(lái)，而且在N+M+K個(gè)時(shí)鐘和N+M+K+J個(gè)時(shí)鐘之間時(shí)間內(nèi)只需對(duì)選中的字線(xiàn)WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時(shí)間得到了提高，在相同的時(shí)鐘數(shù)的條件下，時(shí)鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)寄生電容在不同時(shí)間段的充電，使選中的字線(xiàn)WL能在較短的時(shí)間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時(shí)所需的電壓，又由于電壓泵被打起來(lái)的時(shí)候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開(kāi)狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，所以不存在從選中到非選中的切換過(guò)程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯(cuò)字線(xiàn)WL的可能性。

此設(shè)計(jì)方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用在其它類(lèi)似的集成電路設(shè)計(jì)上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時(shí)間不足和改善功耗消耗過(guò)大的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計(jì)方法采用對(duì)Memory存儲(chǔ)器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時(shí)間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿(mǎn)足的電壓的目的，從而提高了存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時(shí)此設(shè)計(jì)方法取消了數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中不必要的對(duì)寄生電容的充電和放電過(guò)程，降低了對(duì)電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類(lèi)型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫(xiě)速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫(xiě)速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類(lèi)，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，地址是從一條數(shù)據(jù)線(xiàn)上依次從高位到低位隨著時(shí)鐘串行輸入，每次只傳送一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。此類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)NOR Flash Memory的性能要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來(lái)NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢(shì)將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對(duì)于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場(chǎng)上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲(chǔ)器單元共有五個(gè)端口，包括Gate柵端（G端，接字線(xiàn)WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個(gè)電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲(chǔ)器存的儲(chǔ)單元在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，字線(xiàn)WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲(chǔ)單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)和對(duì)它不作任何操作時(shí)的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線(xiàn)WL端電壓的建立時(shí)間是提高Flash存儲(chǔ)器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲(chǔ)器讀取時(shí)所需要的字線(xiàn)WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計(jì)的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部的電壓泵電路來(lái)提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時(shí)間內(nèi)把高壓打起來(lái)，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線(xiàn)WL端。通常Flash 存儲(chǔ)器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線(xiàn)WL端時(shí)，所經(jīng)過(guò)路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對(duì)地址選中的字線(xiàn)WL充電的同時(shí)，往往也會(huì)對(duì)這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來(lái)就增加了對(duì)WL的充電時(shí)間，而這個(gè)充電時(shí)間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲(chǔ)器從電壓泵到字線(xiàn)WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計(jì)中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲(chǔ)器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線(xiàn)WL路徑的繞線(xiàn)電容等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個(gè)模塊有沒(méi)有被選中，當(dāng)存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線(xiàn)電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)只選中SEC0～SECN中的一個(gè)）。當(dāng)某一個(gè)模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線(xiàn)WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線(xiàn)WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒(méi)有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對(duì)于字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對(duì)非選中字線(xiàn)WL路徑的充電過(guò)程是電荷浪費(fèi)的過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時(shí)鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開(kāi)始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對(duì)字線(xiàn)WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時(shí)鐘結(jié)束，這個(gè)時(shí)鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時(shí)鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間為J個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間。

有的時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省時(shí)間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會(huì)采用在地址沒(méi)有完全準(zhǔn)備好之前就開(kāi)始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線(xiàn)WL就會(huì)被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開(kāi)始后，就會(huì)有非選中的字線(xiàn)WL到選中的字線(xiàn)WL的切換。這個(gè)切換的過(guò)程包含了對(duì)非選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對(duì)選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過(guò)程中，當(dāng)非選中字線(xiàn)WL從高電壓到低電壓切換時(shí)，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競(jìng)爭(zhēng)，字線(xiàn)WL的充電時(shí)是通過(guò)MP1對(duì)于字線(xiàn)WL提供的上拉電流，字線(xiàn)WL的放電時(shí)則是通過(guò)MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對(duì)字線(xiàn)WL下拉放電的同時(shí)還存在著MP1對(duì)字線(xiàn)WL的上拉充電，這樣的情況會(huì)加大字線(xiàn)WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會(huì)有切換不過(guò)來(lái)的可能性，同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)切換的時(shí)間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時(shí)間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時(shí)所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線(xiàn)WL電壓切換帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的字線(xiàn)WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開(kāi)關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開(kāi)關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開(kāi)始之前，斷開(kāi)電壓泵到所有的選中路徑的開(kāi)關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來(lái)。Flash 存儲(chǔ)器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會(huì)先輸入進(jìn)來(lái)，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開(kāi)電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開(kāi)關(guān)A，開(kāi)始對(duì)相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線(xiàn)電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€(xiàn)WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開(kāi)B開(kāi)關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開(kāi)關(guān)，對(duì)選中的WL的繞線(xiàn)電容充電，因?yàn)檫@部分繞線(xiàn)電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線(xiàn)WL可以在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線(xiàn)WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時(shí)間內(nèi)，字線(xiàn)WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計(jì)方法和一般的設(shè)計(jì)方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對(duì)所需充電的電容選擇在正確的時(shí)間段才開(kāi)始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計(jì)方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開(kāi)始對(duì)整個(gè)路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計(jì)方法把地址輸入期間所有的時(shí)間都利用了起來(lái)，而且在N+M+K個(gè)時(shí)鐘和N+M+K+J個(gè)時(shí)鐘之間時(shí)間內(nèi)只需對(duì)選中的字線(xiàn)WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時(shí)間得到了提高，在相同的時(shí)鐘數(shù)的條件下，時(shí)鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)寄生電容在不同時(shí)間段的充電，使選中的字線(xiàn)WL能在較短的時(shí)間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時(shí)所需的電壓，又由于電壓泵被打起來(lái)的時(shí)候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開(kāi)狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，所以不存在從選中到非選中的切換過(guò)程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯(cuò)字線(xiàn)WL的可能性。

此設(shè)計(jì)方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用在其它類(lèi)似的集成電路設(shè)計(jì)上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時(shí)間不足和改善功耗消耗過(guò)大的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計(jì)方法采用對(duì)Memory存儲(chǔ)器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時(shí)間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿(mǎn)足的電壓的目的，從而提高了存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時(shí)此設(shè)計(jì)方法取消了數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中不必要的對(duì)寄生電容的充電和放電過(guò)程，降低了對(duì)電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類(lèi)型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫(xiě)速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫(xiě)速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類(lèi)，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線(xiàn)比較簡(jiǎn)單，地址是從一條數(shù)據(jù)線(xiàn)上依次從高位到低位隨著時(shí)鐘串行輸入，每次只傳送一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。此類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)NOR Flash Memory的性能要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來(lái)NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢(shì)將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對(duì)于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場(chǎng)上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲(chǔ)器單元共有五個(gè)端口，包括Gate柵端（G端，接字線(xiàn)WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個(gè)電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲(chǔ)器存的儲(chǔ)單元在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，字線(xiàn)WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲(chǔ)單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)和對(duì)它不作任何操作時(shí)的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線(xiàn)WL端電壓的建立時(shí)間是提高Flash存儲(chǔ)器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲(chǔ)器讀取時(shí)所需要的字線(xiàn)WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計(jì)的Flash存儲(chǔ)器內(nèi)部的電壓泵電路來(lái)提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時(shí)間內(nèi)把高壓打起來(lái)，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線(xiàn)WL端。通常Flash 存儲(chǔ)器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線(xiàn)WL端時(shí)，所經(jīng)過(guò)路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對(duì)地址選中的字線(xiàn)WL充電的同時(shí)，往往也會(huì)對(duì)這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來(lái)就增加了對(duì)WL的充電時(shí)間，而這個(gè)充電時(shí)間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲(chǔ)器從電壓泵到字線(xiàn)WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計(jì)中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲(chǔ)器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線(xiàn)WL路徑的繞線(xiàn)電容等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個(gè)模塊有沒(méi)有被選中，當(dāng)存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線(xiàn)電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)只選中SEC0～SECN中的一個(gè)）。當(dāng)某一個(gè)模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線(xiàn)WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線(xiàn)WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒(méi)有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對(duì)于字線(xiàn)WL的繞線(xiàn)電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對(duì)非選中字線(xiàn)WL路徑的充電過(guò)程是電荷浪費(fèi)的過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時(shí)鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開(kāi)始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對(duì)字線(xiàn)WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時(shí)鐘結(jié)束，這個(gè)時(shí)鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時(shí)鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間為J個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間。

有的時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省時(shí)間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會(huì)采用在地址沒(méi)有完全準(zhǔn)備好之前就開(kāi)始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線(xiàn)WL就會(huì)被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開(kāi)始后，就會(huì)有非選中的字線(xiàn)WL到選中的字線(xiàn)WL的切換。這個(gè)切換的過(guò)程包含了對(duì)非選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對(duì)選中的字線(xiàn)WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過(guò)程中，當(dāng)非選中字線(xiàn)WL從高電壓到低電壓切換時(shí)，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競(jìng)爭(zhēng)，字線(xiàn)WL的充電時(shí)是通過(guò)MP1對(duì)于字線(xiàn)WL提供的上拉電流，字線(xiàn)WL的放電時(shí)則是通過(guò)MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對(duì)字線(xiàn)WL下拉放電的同時(shí)還存在著MP1對(duì)字線(xiàn)WL的上拉充電，這樣的情況會(huì)加大字線(xiàn)WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會(huì)有切換不過(guò)來(lái)的可能性，同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)切換的時(shí)間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時(shí)間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時(shí)所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線(xiàn)WL電壓切換帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的字線(xiàn)WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開(kāi)關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開(kāi)關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開(kāi)始之前，斷開(kāi)電壓泵到所有的選中路徑的開(kāi)關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來(lái)。Flash 存儲(chǔ)器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會(huì)先輸入進(jìn)來(lái)，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開(kāi)電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開(kāi)關(guān)A，開(kāi)始對(duì)相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線(xiàn)電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€(xiàn)WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開(kāi)B開(kāi)關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開(kāi)關(guān)，對(duì)選中的WL的繞線(xiàn)電容充電，因?yàn)檫@部分繞線(xiàn)電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線(xiàn)WL可以在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線(xiàn)WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時(shí)間內(nèi)，字線(xiàn)WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計(jì)方法和一般的設(shè)計(jì)方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對(duì)所需充電的電容選擇在正確的時(shí)間段才開(kāi)始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計(jì)方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開(kāi)始對(duì)整個(gè)路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計(jì)方法把地址輸入期間所有的時(shí)間都利用了起來(lái)，而且在N+M+K個(gè)時(shí)鐘和N+M+K+J個(gè)時(shí)鐘之間時(shí)間內(nèi)只需對(duì)選中的字線(xiàn)WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時(shí)間得到了提高，在相同的時(shí)鐘數(shù)的條件下，時(shí)鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)寄生電容在不同時(shí)間段的充電，使選中的字線(xiàn)WL能在較短的時(shí)間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時(shí)所需的電壓，又由于電壓泵被打起來(lái)的時(shí)候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開(kāi)狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，所以不存在從選中到非選中的切換過(guò)程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯(cuò)字線(xiàn)WL的可能性。

此設(shè)計(jì)方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用在其它類(lèi)似的集成電路設(shè)計(jì)上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時(shí)間不足和改善功耗消耗過(guò)大的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint