摘 要： 介紹了RFID無源標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的EEPROM存儲器結(jié)構(gòu),，通過分析Dickson電荷泵的工作原理以及廣泛應(yīng)用的NMOS電荷泵的設(shè)計(jì)思想,，提出了一種改進(jìn)的PMOS電荷泵設(shè)計(jì)方法，能夠消除NMOS電荷泵電路中由于襯底接地而產(chǎn)生的襯偏電壓造成的體效應(yīng),，并對該P(yáng)MOS電荷泵設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了仿真分析,。
關(guān)鍵詞： RFID；EEPROM,；電荷泵,；NMOS管；PMOS管
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)系統(tǒng)目前廣泛采用的存儲介質(zhì)是EEPROM,。雖然鐵電存儲器FeRAM在低壓低功耗和擦寫速度等方面比EEPROM 更有優(yōu)勢,，但是它的工藝復(fù)雜，成本也較高,，所以現(xiàn)在RFID系統(tǒng)中采用的存儲介質(zhì)仍以EEPROM為主,。用于RFID系統(tǒng)的存儲器必須滿足兩個(gè)條件，一是要滿足低壓低功耗的要求，RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽一般是無源的,，標(biāo)簽通過耦合閱讀器的電磁場獲得工作所需的能量,，這就要求標(biāo)簽的各部分電路都必須在低壓低功耗下工作；二是成本必須要低,，由于RFID的標(biāo)簽一般都是大量使用的,，因此每個(gè)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)首先要考慮它的低成本特性。
本文首先介紹了非揮發(fā)性EEPROM存儲器單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，分析了傳統(tǒng)NMOS電荷泵的工作原理,，在該電路中，由于自舉NMOS管的襯底均接地,，通過提高柵壓能減小體效應(yīng)的影響,，但隨著電荷泵級數(shù)的增加，自舉結(jié)構(gòu)抑制體效應(yīng)的能力逐漸降低,。因此提出了襯底短接的PMOS管電荷泵電路,，該電路利用襯底切換技術(shù)能夠消除晶體管的體效應(yīng)，大大提高電荷泵電路的轉(zhuǎn)換效率,。
1 EEPROM關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)及工作原理
在EEPROM存儲器設(shè)計(jì)中,，速度、功耗和面積是三個(gè)最基本也是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo),。圖1給出了EEPROM的系統(tǒng)架構(gòu)圖,。它主要包括控制電路、電荷泵電路,、I/O接口電路,、存儲器陣列、地址譯碼電路以及讀出敏感放大器電路等,。其中,，電壓開關(guān)和數(shù)據(jù)鎖存器模塊用于被編程數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲；位譯碼電路,、位選擇模塊和敏感放大器則構(gòu)成了整個(gè)存儲器的讀出通路,。在EEPROM電路結(jié)構(gòu)中，電荷泵是中心模塊,，用來產(chǎn)生存儲器擦寫數(shù)據(jù)所需要的高壓,。
2 傳統(tǒng)電荷泵工作原理
在EEPROM電路設(shè)計(jì)中，大部分MOS管電荷泵都是基于Dickson在1976年提出的電路結(jié)構(gòu),。圖2給出了一個(gè)產(chǎn)生正向高壓的n級Dickson電荷泵結(jié)構(gòu),。CLK是幅度為VΦ、頻率為f的兩相不交疊時(shí)鐘信號,。通常情況下,，VΦ和電源電壓的值相等,。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕S著兩時(shí)鐘的交替變化,，電荷被沿著一個(gè)方向傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn),。
在n級Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束后,，第n個(gè)節(jié)點(diǎn)和(n+1)個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差可寫為：
VΦ′是從時(shí)鐘耦合到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅度,，VL是當(dāng)電荷泵在提供負(fù)載電流時(shí)，電容被充放電的電壓幅度,。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘耦合電容C和寄生電容Cs均有如下關(guān)系：
每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),，通過每個(gè)二極管的總電荷為(C+Cs)×VL，則電荷泵在一定的時(shí)鐘頻率下所能提供的輸出電流為：
由此可以推導(dǎo)出每一級為輸出節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的電壓為：
其中,，n為電荷泵的級數(shù)。根據(jù)上述分析,，理論上只要增加級數(shù)n的值,，就可以在輸出端得到任意高的輸出電壓。
通常,，采用二極管連接的NMOS管實(shí)現(xiàn)Dickson電荷泵中的二極管功能,，從而改進(jìn)二極管的可控性，降低制造過程中的難度,。因此式(6)中VT要用晶體管的閾值電壓代替,。然而這種結(jié)構(gòu)也存在一個(gè)潛在的問題，即由于二極管連接的NMOS管的襯底均接地,，隨著電荷泵各節(jié)點(diǎn)電壓的逐級升高,，晶體管源端電壓逐級升高，NMOS管的襯偏電壓逐漸增大,，根據(jù)晶體管體效應(yīng)原理,，NMOS管的閾值電壓會隨著襯偏電壓的增加而增加，從而輸出端得到的輸出電壓小于Dickson電荷泵的理論分析值,，而且隨著電荷泵級數(shù)n的增加體效應(yīng)的影響越來越明顯,，使得實(shí)際電荷泵的性能不再與理論分析一致，而是隨著n的增加,，輸出端最終會有一個(gè)極限值,。
為了減小體效應(yīng)的影響，靜態(tài)電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)以及通用NMOS柵電壓自舉結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用到電荷泵中,。然而靜態(tài)電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)在開關(guān)截止的瞬間會產(chǎn)生倒向電流,，增加電路靜態(tài)功耗，降低電荷泵效率,，而由于工藝水平的限制,，通用NMOS柵電壓自舉結(jié)構(gòu)中的NMOS管的襯底仍接地(如圖3所示),，雖然提高柵壓能夠減小體效應(yīng)的影響，但如果需要更高的輸出電壓,，隨著電荷泵級數(shù)的增加,，自舉結(jié)構(gòu)仍對體效應(yīng)無能為力，最終輸出端也會達(dá)到一個(gè)最大值,。
3 改進(jìn)的電荷泵
為了抑制體效應(yīng)對電荷泵效率的影響,，本文提出一種改進(jìn)的全PMOS電荷泵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在普通工藝下實(shí)現(xiàn),，利用PMOS電壓自舉結(jié)構(gòu)增加傳輸管的柵源電壓,，利用襯底切換技術(shù)消除晶體管的體效應(yīng)，產(chǎn)生比Dickson電荷泵更高的輸出電壓,，提高電荷泵效率,。
圖4給出了改進(jìn)的全PMOS電荷泵第i級的結(jié)構(gòu)示意圖。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),，clkl為低,，由于耦合電容Cp的作用使Vi點(diǎn)電壓降低，之后clk2升高,，Cp使節(jié)點(diǎn)Vi-1和Vi+1耦合到高電平,。因此自舉晶體管M(i+1)2管導(dǎo)通，第(i+1)級的傳輸晶體管的柵被充電,，使M(i+1)1截止,，同時(shí)另外一個(gè)自舉晶體管Mi2也被截止。一段時(shí)間后,，clk3降低,，則Mi1柵壓降低，Mi1導(dǎo)通且工作在線性區(qū),，電荷從前級輸出端Vi-1傳輸?shù)絍i,，且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓僅相差一個(gè)工作于線性區(qū)的晶體管的漏源電壓。此時(shí),，clk4為高,，前后級的Mi柵電壓升高，同時(shí)M2導(dǎo)通,，給M1的柵充電,，使M1晶體管截止。當(dāng)傳輸達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,，clk3首先變高,，使本級M1截止，其次clk2,、clk1,、clk4相繼反相,。當(dāng)clk4為低電平時(shí)，耦合偶數(shù)級傳輸管M1的柵為低,，M1導(dǎo)通且工作在線性區(qū),，向輸出端傳送電荷，此時(shí),，奇數(shù)級輸出為高,，恰好關(guān)斷偶數(shù)級的M2自舉管。
由以上分析可知,，這里的M2自舉管并不像NMOS自舉結(jié)構(gòu)一樣,，使NMOS管導(dǎo)通得更好，而是恰恰相反,，它的作用是將PMOS管的柵壓升得更高,，從而使PMOS傳輸管關(guān)閉得更好。
根據(jù)上述分析,，PMOS電荷泵每一級的傳輸管M1均工作在線性區(qū),，因此每一級為輸出節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的電壓為：
其中，I0為本級向后級提供的驅(qū)動電流,，RON為M1管的線性導(dǎo)通電阻值,。則改進(jìn)的n級全PMOS電荷泵的輸出電壓可寫為：
在電荷泵一個(gè)工作周期內(nèi),，clk1為低,、clk2為高時(shí)，奇數(shù)級輸出電壓略低于偶數(shù)級輸出電壓,，奇數(shù)級M4截止,，M3管處于弱導(dǎo)通；偶數(shù)級M3截止,，M4處于弱導(dǎo)通,，則各PMOS晶體管襯底連接到漏源端的高電平，即偶數(shù)級輸出節(jié)點(diǎn),。反之,，clkl為高、clk2為低時(shí),，各PMOS晶體管襯底仍連接高電平,，即奇數(shù)級輸出節(jié)點(diǎn)。這樣電荷泵不管工作在時(shí)鐘的什么相位下,，所有PMOS晶體管的襯底都始終處于高電平,，完全消除了體效應(yīng)的影響，從而大大提高了電荷泵的效率,。
4 設(shè)計(jì)仿真
對PMOS電荷泵進(jìn)行仿真分析如圖5所示,，在電源電壓和要求的輸出高壓一定的情況下,，可以大大降低電荷泵的級數(shù)，減小芯片面積,，降低功耗,，適用于低電源電壓、高輸出電壓的情況,，如產(chǎn)生低功耗存儲器的擦寫高壓等,，電荷泵的效率定義為：
由仿真結(jié)果可知，NMOS電荷泵的升壓效率較低,，隨升壓級數(shù)的增加會產(chǎn)生最大值為38%,。而對于PMOS電荷泵，在理想情況(α=0)下,，沒有寄生電容存在,，取N=10級時(shí)，電荷泵效率與升壓倍數(shù)成正比,；在非理想情況下,，當(dāng)α=0.1時(shí)，升壓效率隨升壓倍數(shù)增大而逐漸增高,，并且有最大值為53%,，之后隨升壓級數(shù)的增大而減小,；當(dāng)α=0.05時(shí),，升壓效率同樣隨升壓倍數(shù)增大而增大，并且峰值會延后,，最高效率可達(dá)68%,。
由此可見，在PMOS電荷泵電路中,，寄生電容的選取在很大程度上將決定電荷泵升壓效率的峰值大小,，寄生電容越小，升壓效率越高,。
隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用,，低功耗設(shè)計(jì)變得越來越重要。本文通過對RFID標(biāo)簽中EEPROM存儲器中電荷泵的理論分析后,，提出了PMOS型DC-DC電荷泵電路能夠消除原NMOS電荷泵產(chǎn)生的體效應(yīng),，選擇合適的升壓級數(shù)，可使電荷泵電路的功耗最小化,，并提高轉(zhuǎn)換效率,。
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