應用于深亞微米存儲器的電荷泵設計

　　因只讀存儲器的基本存儲單元只進行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時間保存，且在編程時需要流過mA級以上的電流，所以只讀存儲器編程時通常采用外加編程高壓，內部的電荷泵。在設計此類電荷泵時，擊穿電壓和體效應的影響成為嚴重的問題。我們設計了一款電荷泵用以在存儲器中傳遞外部編程高壓。這種電荷泵利用高壓NMOS器件提高了耐壓特性并保證了正常工作，且增加了襯底偏置以縮短電荷泵的穩(wěn)定時間。

　　電荷泵電路結構和工作原理

　　1 常壓MOS管電荷泵

　　圖1所示是初步提出的電荷泵電路原理圖，其中所有的器件均為常壓器件。

　　圖1 常壓MOS管構成的電荷泵原理圖

　　初始化過程中，clear信號為低電平。此時N5管打開，將節(jié)點4清零;由于N4柵極始終接高電平，N4管打開，將節(jié)點3清零。

　　初始化結束后電荷泵進入工作狀態(tài)。Vp為外加編程高壓，clear信號保持高電平，clk信號為固定周期的方波信號。N4柵極恒為高電平，因此會將clear信號的高電平傳輸?shù)焦?jié)點3，節(jié)點3的初始電壓為V3.0=VDD-VTH4。節(jié)點5為與clk信號周期相同、相位反相的方波信號。以下依據(jù)節(jié)點5信號的變化具體分析電荷泵的工作原理。

　　第1周期，節(jié)點5首先維持半個周期的高電平。根據(jù)電荷分享原理，此時節(jié)點2的電壓由電容C1和Cs的分壓決定(其中Cs為節(jié)點2的寄生電容)，電壓可表示為：

　　V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2管為飽和接法，節(jié)點3的電壓被鉗位，表達式為：

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

　　隨后節(jié)點5轉為低電平，節(jié)點2電壓逐漸下降。由于沒有泄放通路，電壓會在節(jié)點3一直保持下去，并且由于C1遠大于節(jié)點2的寄生電容，使得半個高電平周期后節(jié)點3的電壓足以使N1管打開。N1管的開啟使得節(jié)點2的電位不會持續(xù)下降，而是會被鉗位到電壓值。

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

　　這個便是第一周期過后節(jié)點2上形成的電壓值。

　　第二個周期，同樣的節(jié)點5會經(jīng)歷高電平和低電平各半個周期。這一過程仍然會在節(jié)點3和節(jié)點2上積累電荷。與第一周期類似的推導可得到以下一組表達式：

　　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)

　　比較公式(3)和公式(6)可發(fā)現(xiàn)，每一周期節(jié)點2上增加的電壓為：

　　ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)

　　依次類推，第i個周期節(jié)點5維持高電平時，節(jié)點2和節(jié)點3的電壓為：

　　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)