一種低壓開關電荷泵的設計

摘要：設計了一款應用于亞微米工藝的傳輸只讀存儲器的編程高壓的單閾值開關電荷泵。隨著亞微米和深亞微米工藝的應用，N+／PWLL結反向擊穿電壓和柵氧擊穿電壓都明顯降低，用于只讀存儲器傳送編程電壓的兩閾值開關電荷泵應用存在著極大的風險。單閾值開關電荷泵能實現內部高壓結點只高于編程一個閾值電壓，使開關電荷泵在傳送高壓時能安全工作。電路在TSMC 0．35μm工藝得到仿真驗證。
關鍵詞：單閾值；電荷泵；只讀存儲器

電荷泵是一種運用電荷在電容器中積累產生高壓的電路，它廣泛應用于串口通信電路、EEPROM、動態隨機存儲器等需要高壓的領域。電荷泵分大功率電荷泵和小功率電荷泵。根據不同的應用，電荷泵的種類不同，內部直接產生高壓的電荷泵有：雙極DICKSON電荷泵，MOSDIC-KSON電荷泵，四模式電荷泵設計，電壓倍增電荷泵，電壓三倍電荷泵。因只讀存儲器芯片的數據只能進行一次編程，編程后的數據能長時間保存，PROM的基本單元在編程時需要過毫安級別以上的電流，所以只讀存儲器編程時一般都采用外加編程高壓，內部的電荷泵只是起著開關的作用，在編程的時候傳遞編程高壓，并提供大電流通路。現在應用于只讀存儲器的電荷泵是兩閾值電荷泵。
隨著半導體工藝的發展，工藝尺寸的不斷減小，基本器件的柵氧厚度，最小溝道長度不斷減小，對應的柵氧擊穿電壓，源漏穿通電壓也不斷減小。只讀存儲器的編程高壓的傳遞變得很困難，傳統的應用于只讀存儲器中的電荷泵因為內部高壓結點峰值要高于編程電壓兩個閾值電壓，導致我們在設計此類電荷泵時，工藝擊穿電壓的限制成為嚴重的問題，甚至兩閾值損失的電荷泵無法實現。為降低應用于只讀存儲器電荷泵的內部高壓節點電壓，同時保證電荷泵傳送的編程電壓紋波很小，本文設計了一款單閾值電荷泵。

1 兩閾值電荷泵工作原理和問題
1．1 兩閾值電荷泵的工作原理
電荷泵工作的兩個理論基礎：電容的兩端電壓不能突變，電荷共享原理。圖1是傳統兩閾值電荷泵的工作原理分析圖。

外加編程電壓為VP，初始時CLEAR端為VDD，因N4管柵極為恒定電源電壓VDD，所以初始時結點3的電壓V3o=VDD-VTH4，N5管導通，編程結點4接地。電荷泵開始工作，CLK為固定周期的方波信號。
第1個周期，當結點5從0到VDD，因為電容C1兩端電壓不能突變，另結點2的寄生電容為C5，則結點2從0變化到：
V21=C1×VDD／(C1+CS) (1)
因N2為飽和管接法，結點3的電壓鉗位到
V31=C1×VDD／(C1+CS)-VTH21 (2)
當結點5從VDD到0時，結點2先被瞬間拉到0，然后又被N1管拉到
C1×VDD／(C1+CS)-VTH21-VTH11 (3)