作者：伍冬，潘立陽，段志剛，朱鈞

為了減少芯片面積，提高電荷泵的增益，提出一種基于共享技術(shù)的電荷泵電路。通過改變兩個子電荷泵的串并連接關(guān)系，既可以產(chǎn)生一種電壓較高而電流驅(qū)動能力較小的負(fù)高壓，也可以產(chǎn)生一種電壓較低但是電流驅(qū)動能力很大的負(fù)高壓，這不僅滿足了系統(tǒng)在編程和擦除時對高壓的不同需求，而且還節(jié)省了大約50％的芯片面積。電荷泵電路還采取了對其中P型MOS管的襯底電壓進(jìn)行動態(tài)控制的方法。模擬結(jié)果表明，該電荷泵的增益提高了大約14%。該電路特別適用于需要兩種以上負(fù)高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲器。

電子可擦除可編程存儲器（electrically-erasableprogrammable read-only memory，EEPROM）和快閃存儲器在編程和擦除操作時都需要高壓，因此電荷泵電路在單電源的嵌入式存儲器芯片中扮演著極其重要的作用，其功耗，面積和在低電源電壓下的工作能力等直接影響到整個存儲芯片的性能。而且在實(shí)際應(yīng)用中，一個存儲器芯片內(nèi)部一般會需要不止一種正高壓和負(fù)高壓，所以系統(tǒng)中會需要多個正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵，這使得電荷泵所占芯片面積超過整個存儲器芯片中外圍電路的一半。對于采用帶帶隧穿熱電子注入（band-to-bandtunneling induced hot electron，BBHE）進(jìn)行編程的p溝道DINOR（p-channeldivided bit-line NOR）結(jié)構(gòu)的快閃存儲器，它需要至少一個正高壓電荷泵和兩個負(fù)高壓電荷泵。對于采用源極誘導(dǎo)帶帶隧穿熱電子注入（source induced band-to-band hotelectron_，SIBE）方式進(jìn)行編程的新型快閃存儲器，系統(tǒng)總共需要2個正高壓電荷泵和3個負(fù)高壓電荷泵。

由于電荷泵電路所占據(jù)的面積很大，尤其當(dāng)電源電壓逐漸從5V降到1．8V甚至1．2V時，要產(chǎn)生足夠的高壓，電荷泵必須要增加級數(shù)或者增大耦合電容的大小，這使得電荷泵電路占據(jù)的面積不斷增加。因此電荷泵的共享技術(shù)在減少芯片面積上非常重要，但是這要么會增加工藝的難度，要么使得電路結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

本文通過改變電荷泵的串并連接關(guān)系，在不增加任何工藝難度和電路復(fù)雜度的情況下，實(shí)現(xiàn)了電荷泵的共享，使得電荷泵電路所占據(jù)的面積大大減少。

1 共享技術(shù)電荷泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

表1給出SIBE結(jié)構(gòu)快閃存儲器的典型操作模式，其中編程時加到位線上的-3．3 V高壓需要提供大于100μA的驅(qū)動能力，以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)據(jù)同時編程。

圖l是本文采用的電荷泵系統(tǒng)示意圖，其中8V和5V電荷泵用于產(chǎn)生一個8V的編程字線電壓和5V的擦除源線電壓Vpp，-8V和-3．3V電荷泵是一個基于共享技術(shù)的電荷泵電路，它可以產(chǎn)生-8V（驅(qū)動能力大于10μA）的字線擦除電壓和-3．3 V（驅(qū)動能力大于l00μA）的位線編程電壓Vnp。而-4．8V電荷泵則產(chǎn)生加到選擇柵上的-4．8V高壓Vnc，用于把-3．3V的編程電壓傳遞到選中的存儲單元上，以及用在位線電壓轉(zhuǎn)換模塊中。鉗位電路的作用是對輸出高壓進(jìn)行鉗位，使得輸出高壓穩(wěn)定在所需要的電壓值上。而在電路停止工作時，通過泄放通路可以把輸出端的電壓置為OV。

為了降低芯片面積而提出的基于共享技術(shù)的負(fù)高壓電荷泵電路見圖2，它可以產(chǎn)生-8V和-3．3V兩種負(fù)高壓，其中Ve和Vp是高壓控制信號，Ve可以在Vnp和電源電壓VDD之間轉(zhuǎn)換，而Vp可以在-4．8V和VDD之間轉(zhuǎn)換，其中-4．8V來源于-4．8V電荷泵。其輸入輸出關(guān)系如表2所示。當(dāng)需要產(chǎn)生-3．3V電壓時，讓Ve等于VDD，而置Vp為 -4．8 V，系統(tǒng)可以看作是兩個三級的子電荷泵

（分別由PMOS管M1-M4，耦合電容C1-C3和PMOS管M5-M8，耦合電容C4-C6組成）的并聯(lián)，在兩相非重疊時鐘CKl和CK2的驅(qū)動下，Vnp輸出-3．3V電壓，由于連接到C3和C6上的時鐘信號分別為CKl和CK2，所以兩個子電荷泵在一個時鐘周期內(nèi)將分別對輸出端Vnp充電一次。這不僅大大降低了輸出端電壓的波動性，同時還增加了輸出端的驅(qū)動能力，滿足了多位同時編程時對大驅(qū)動電流的需求。如果系統(tǒng)需要-8V的高壓，把Vp置為VDD，而把Ve連接到高壓輸出端Vnp，這樣M10將被關(guān)斷，而剛開始時由于Vnp為0V，所以M9不會導(dǎo)通，電路仍舊處于兩個子電荷泵并聯(lián)工作狀態(tài)，只是它們的輸出端被M10隔開。隨著Vnp由0V逐漸變小，它的電壓將低于節(jié)點(diǎn)N2的電壓，M9會逐漸導(dǎo)通，此時系統(tǒng)可以看作是一個六級的電荷泵（由M1-M4和M6-M8以及C1-C6組成），最終系統(tǒng)將產(chǎn)生-8V的高壓。這樣，和采用兩個獨(dú)立電荷泵分別產(chǎn)生-8V和-3．3V的方法相比，該電荷泵可以節(jié)省大約50％的芯片面積。需要注意的是M6-M8的襯底電壓由Vsub控制，這主要是為了降低它們的襯偏效應(yīng)，增加電荷泵的增益。

共享技術(shù)電荷泵的Ve、Vp時序由圖3所示的電壓轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生。圖3a可以實(shí)現(xiàn)Ve在VDD和vnp之間的轉(zhuǎn)換，而圖3b實(shí)現(xiàn)Vp在VDD和- 4．8V之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合圖2，其工作模式見表2。當(dāng)控制信號Vpe為高時，電荷泵產(chǎn)生-8V高壓，而當(dāng)Vpe為低時，電荷泵產(chǎn)生-3．3V高壓。

為了降低共享電荷泵中PMOS管的襯偏效應(yīng)，提高電荷泵的增益，本文采用了一個襯底電壓控制模塊，見圖4所示。其中Vnp連接到-8V和-3．3V電荷泵的輸出端，Vpe是控制信號。其中NMOS管Mw1和MN2以及PMOS管Mp2和MP3構(gòu)成兩對電流鏡。當(dāng)Vpe為OV時，該模塊將不工作，節(jié)點(diǎn)V3等于OV，輸出端Vsub的電壓等于VDD，并送到圖2中的Vsub端，且電荷泵將產(chǎn)生-3．3V高壓。當(dāng)Vpe為高時，該模塊開始工作，隨著圖2中電荷泵的工作，Vnp將由0V逐漸降低，PMOs管MH的導(dǎo)通能力逐漸增大，Mp3和Mp2的柵極電壓將逐漸降低，這樣Mp2的導(dǎo)通能力逐漸增大，倒相器輸入端的電壓將由OV逐漸上升，最終倒相器INV開始翻轉(zhuǎn)，Vsub的電壓將由初始的VDD變成OV。通過調(diào)整圖中PMOS和NMOS管的尺寸就可以保證當(dāng)Vsub變成OV時，圖2中PMOS管Mp6-Mp8的p-n結(jié)不會正偏。這樣就減輕了Mp6-Mp8的襯偏效應(yīng)，提高了電荷泵的增益。

2 模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所述電荷泵的性能，采用清華大學(xué)微電子所開發(fā)的1．4 μm高壓工藝參數(shù)，用軟件HSPICE對其進(jìn)行了模擬。其中高壓NMOS管的閾值電壓為0．7 V，高壓PMOS管的閾值電壓為-0．8V。優(yōu)化后的耦合電容C1到C6均為12pf，所用的時鐘頻率為20MHz，電源電壓VDD為5．0V。

圖5是電荷泵電路的模擬波形圖。其中Vwkrk是控制信號，當(dāng)Vwork為高時，輸入時鐘CKl和CK2，電荷泵電路開始工作。當(dāng)Vwork為低時，時鐘停止輸入，電荷泵電路不工作，只是通過泄放通路把輸出端Vnp的電荷泄放到地。從圖5可以看到，當(dāng)Vpe為低時，Vp為-4．8V，而Ve等于5．OV，電荷泵電路的輸出電壓Vnp等于-3．3V。當(dāng)Vpe為高時，Vp等于5．0V，而Ve和Vnp的電壓一致，最終系統(tǒng)輸出電壓Vnp等于-8V。而且可以看到，當(dāng)負(fù)高壓電荷泵工作一段時間，Vnp達(dá)到-5V后，Vsub的電壓將由5．0V變?yōu)?V，這降低了PMOS管Mp6-Mp8的襯偏效應(yīng)，使得高壓輸出端Vnp的波形上出現(xiàn)一個拐點(diǎn)Ncg，而且拐點(diǎn)后的電壓下降的速度明顯加大并最終達(dá)到-8V（其中虛線部分是沒有采用襯底電壓控制模塊時Vnp的波形，其電壓最終只能下降到-7V），這使得電荷泵的增益提高了大約14％。

3 結(jié) 論

本文提出一種基于共享技術(shù)的電荷泵電路，通過改變兩個子電荷泵的串并連接關(guān)系，可以在同一個電路中產(chǎn)生所需的兩種負(fù)高壓，從而節(jié)省了大約50％的芯片面積。通過一個襯底電壓控制模塊對電荷泵中PMOS管的襯底電壓進(jìn)行動態(tài)控制，使電荷泵的增益提高了大約14％。該電路特別適用于需要兩種以上負(fù)高壓以完成編程和擦除操作的快閃存儲器。

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