应用于深亚微米存储器的电荷泵设计

2011-09-30 15:57:30来源: 互联网 关键字:深亚微米  存储器  电荷泵
因只读存储器的基本存储单元只进行一次编程,编程后的数据能长时间保存,且在编程时需要流过mA级以上的电流,所以只读存储器编程时通常采用外加编程高压,内部的电荷泵。在设计此类电荷泵时,击穿电压和体效应的影响成为严重的问题。我们设计了一款电荷泵用以在存储器中传递外部编程高压。这种电荷泵利用高压NMOS器件提高了耐压特性并保证了正常工作,且增加了衬底偏置以缩短电荷泵的稳定时间。

  电荷泵电路结构和工作原理

  1 常压MOS管电荷泵

  图1所示是初步提出的电荷泵电路原理图,其中所有的器件均为常压器件。

  

 

  图1 常压MOS管构成的电荷泵原理图

  初始化过程中,clear信号为低电平。此时N5管打开,将节点4清零;由于N4栅极始终接高电平,N4管打开,将节点3清零。

  初始化结束后电荷泵进入工作状态。Vp为外加编程高压,clear信号保持高电平,clk信号为固定周期的方波信号。N4栅极恒为高电平,因此会将clear信号的高电平传输到节点3,节点3的初始电压为V3.0=VDD-VTH4。节点5为与clk信号周期相同、相位反相的方波信号。以下依据节点5信号的变化具体分析电荷泵的工作原理。

  第1周期,节点5首先维持半个周期的高电平。根据电荷分享原理,此时节点2的电压由电容C1和Cs的分压决定(其中Cs为节点2的寄生电容),电压可表示为:

  V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

  因N2管为饱和接法,节点3的电压被钳位,表达式为:

  V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2 (2)

  随后节点5转为低电平,节点2电压逐渐下降。由于没有泄放通路,电压会在节点3一直保持下去,并且由于C1远大于节点2的寄生电容,使得半个高电平周期后节点3的电压足以使N1管打开。N1管的开启使得节点2的电位不会持续下降,而是会被钳位到电压值。

  V’2,1=V2,1-VTH2-VTH1=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (3)

  这个便是第一周期过后节点2上形成的电压值。

  第二个周期,同样的节点5会经历高电平和低电平各半个周期。这一过程仍然会在节点3和节点2上积累电荷。与第一周期类似的推导可得到以下一组表达式:

  V2,2=V’2,1+C1VDD/(C1+CS) (4)

  V3,2=V2,2-VTH2 (5)

  V’2,2=V3,2-VTH2=V2,2-VTH2-VTH1=V’2,1+C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (6)

  比较公式(3)和公式(6)可发现,每一周期节点2上增加的电压为:

  ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)

  依次类推,第i个周期节点5维持高电平时,节点2和节点3的电压为:

  V2,i=C1VDD/(C1+CS)+(i+1)[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (8)

  V3,i=C1VDD/(C1+CS)-VTH2+(i-1)[(C1+CS)-VTH2-VTH1] (9)

  V’2,i=i[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (10)

  V3不会持续升高,当到达一定值时会通过N1、N3被Vp钳位,此时电荷泵进入稳态且Vp能完整传递到编程节点4。但在进入稳态之前,V2和V3会在高电平半周达到大于Vp的电压峰值,随后在低电平半周稳定。

2 高压MOS电荷泵

  理论上分析电荷泵可以正常工作。然而一些潜在的问题可能会引发电路的不正常工作。

  首先,随着工艺尺寸的缩小,电路所用的电源电压VDD,能承受的栅源击穿电压BVGS、源漏穿通电压BVDS,漏PN结击穿电压BVDB都降低。若在电荷泵工作过程中,V2和V3升高到高于其中一种击穿电压,则会使得器件和电路面临烧毁或无法正常工作的危险。

  其次,考虑体效应的影响器件的阈值电压在不断变化。因V2和V3不断升高,即N1、N2管源极电位不断升高,考虑衬底偏置效应后器件的阈值电压由下式给出:

  

(11)

 

  

(12)

 

  则随着震荡周期数的增加,VTH2,i和VTH1,i的值不断增大,在V2和V3达到峰值时体效应影响最为严重。这使得一个周期内V2和V3提升的电压值越来越小,导致电荷泵到达稳定状态所需经历的周期数增加。更严重的情况是,考虑在电荷泵上升且还未达到稳态的过程中,因VTH2,i和VTH1,i变大,如果在某个周期时使得公式(13)成立:

  C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i<0 (13)

  则每个周期内V2抬升的电压无法维持两个阈值损失,导致Vp无法传到编程节点4。

  基于以上讨论,对初始提出的电路进行改进,改进后如图2所示。图2中将4个需要承受峰值高压的器件用高压管代替普通管,以保证电路在V2、V3的尖峰电平下正常工作。高压器件的选择视各制造工艺而定,仿真所基于的工艺提供了性能优良的高压器件,使成功提升了电路的耐压。对于不同工艺可相应从其提供的器件类型中选择器件,并配合编程电压的设置来完成耐压的增强。将N1、N2的衬底电位单独接出并加上合适的电位以减弱体效应的影响。这样做的代价是需要额外加入产生这个衬底电位的电路。根据需求不同,可以产生固定衬底电位或随源衬电压变化的跟随衬底电位。

  

 

  图2 高压MOS器件构成电荷泵电路结构图

  仿真结果

  高压管实现的电荷泵电路基于TSMC 0.18μm工艺进行仿真验证。设置不同的衬底电位将得出不同的仿真结果。

  如图3所示为衬底接地的电路仿真波形图。电源电压3.3V,时钟周期106ns,外加编程高压7.5V,电荷泵在500ns后开始工作。从仿真结果可以看出,V2和V3的峰值电压在10V左右,比稳态高出2.5V。对于正常工作在3.3V电源电压下的常压普通管而言,峰值电压必然会带来不可忽视的危害。此外可得出,电荷泵工作11个时钟周期后在1.7μs达到7.5V的稳态值。进入稳态之后,仅存在0.2V的纹波,满足稳定编程要求。

  

 

  图3 衬底接地电位的仿真波形图

  

 

  图4 衬底接2V电压的仿真波形图

  衬底接2V电压的仿真结果如图4所示,其余信号与图3中相同。与图3相比,峰值电压相等,但电荷泵的工作时间明显缩短。数据显示,电荷泵工作9个周期后近似在1.5μs达到7.5V的稳态值。由此证明,体效应对电路影响较大,加合适的衬底电位可明显较弱其不良影响。

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0930/article_12085.html
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