文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179017
中文引用格式: 李振國,,何洋,,胡毅,,等. 一種EEPROM中高壓產(chǎn)生電路的設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用,2017,,43(10):23-25,30.
英文引用格式: Li Zhenguo,,He Yang,,Hu Yi,et al. Design and realization of a high voltage generator circuit with low voltage applied in EEPROM[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(10):23-25,30.
0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,,射頻識別芯片RFID迎來了爆發(fā)式的增長需求,,EEPROM作為RFID芯片中核心部件,,也被提出了低電源電壓、高密度,、高可靠性等要求,。隨著工藝尺寸的進一步減小,電路的工作電壓也在不斷降低,,但是EEPROM的擦寫操作需要的15 V高壓一直不變,,其中15.5 V高壓器件的閾值電壓接近于EEPROM的正常工作電壓[1-3];另外,,存儲單元的擦寫電壓窗口隨溫度的降低而減小,,降低了芯片在低溫條件下的可靠性?;谝陨显?,設計了一款可以工作在低電源電壓條件下,同時產(chǎn)生具有溫度補償特性的擦寫高壓的電荷泵電路,;通過對高壓電路的設計改進,,提升了EEPROM的可靠性。
本設計的高壓產(chǎn)生電路如圖1所示,,包括時鐘驅(qū)動電路,、電壓倍乘電路、電荷泵電路以及電壓穩(wěn)壓電路,。電壓倍乘電路將最低為1.3 V的電源電壓倍乘,,用來驅(qū)動高壓電荷泵電路。時鐘驅(qū)動電路產(chǎn)生30 MHz的非交疊兩相時鐘用來驅(qū)動電荷泵,。電荷泵電路通過從電壓倍乘電路抽取電荷產(chǎn)生15 V的高壓,。電壓穩(wěn)壓電路包括分壓電路和比較器,實現(xiàn)高壓電荷泵的輸出高壓穩(wěn)定在15 V,,同時產(chǎn)生一個反饋控制信號VFLAG,。
當電荷泵輸出高壓大于15 V時,分壓電路得到的反饋電壓大于基準電壓,,VFLAG等于0,,控制時鐘驅(qū)動電路停止工作。同樣,,當電荷泵輸出高壓小于15 V時,,反饋信號小于基準電壓,VFLAG等于電源電壓,,控制時鐘電路開始工作,,使得電荷泵輸出高壓上升,從而實現(xiàn)輸出高壓穩(wěn)定在一個合理的設計值,。
電荷泵是高壓產(chǎn)生電路中的核心部件,。最早的片上電荷泵電路基于Dickson結構[4],,該結構采用電容實現(xiàn)電荷從上一級傳遞到下一級;然而,,器件的高閾值電壓及其體效應限制了電荷泵的增益,,因此該結構不適用于低電源電壓環(huán)境。
本論文中,,采用電壓倍乘電路,,得到兩倍于電源的電壓用來驅(qū)動主電荷泵電路,實現(xiàn)了高壓產(chǎn)生電路的低電源電壓工作[5],。同時,采用具有負溫度系數(shù)特性的分壓電路,,實現(xiàn)電荷泵電路輸出電壓的負溫度特性,,解決了EEPROM在低溫條件下可靠性降低的問題。
1 升壓電路
1.1 電壓倍乘電路
圖2中,,M1,、M2是交叉連接的Native NMOS器件,其漏端neta,、netb分別通過各自的電荷泵電容C1,、C2連接至時鐘CLK及其不交疊反相時鐘CLKB。PMOS器件M5,、M6為所有PMOS器件M3~M6提供合適的襯底電壓,。M3、M4交叉連接構成輸出級,。當CLK為低電平時,,M1、M3導通,,M2,、M4截止,此時節(jié)點neta的電壓等于輸入電壓VIN,。當CLK出現(xiàn)上升沿后,,M1~M4全部截止,由于neta沒有充,、放電通道,,其電壓被抬高至VIN+VCLK,其中VCLK為時鐘CLK的幅度,。因此,,M1、M3截止,,M2,、M4導通,。理想條件下,VOUT等于兩倍的電源電壓,。該電路具有內(nèi)部節(jié)點電壓不隨時鐘信號跳變而大幅度變化的特點,。
1.2 電荷泵電路
電壓倍乘電路都有一個輸入電壓和一個輸出電壓,結果等于VOUT=VIN+VCLK,。在理想情況下,,將N個電壓倍乘電路作為子單元級聯(lián)起來就可以得到大小為(N+1)·VDD的電壓[6]。高壓電荷泵電路如圖3所示,。
本設計中,,電荷泵電路由10級電壓倍乘電路組成,其中第一級的輸入電壓為VDD,,所有級的時鐘電壓幅度為電壓倍乘電路的輸出電壓,,約為2·VDD。
因此,,理想條件下電荷泵輸出電壓VPPH的理想值為:
由于體效應,、高壓漏電等非理想因素的影響,電荷泵的輸出高壓達不到式(1)中的理想值,。
1.3 電壓穩(wěn)壓電路
為了防止過高的高壓損壞存儲器件,,降低EEPROM的可靠性,需要穩(wěn)定電荷泵的輸出高壓,。通常在高壓產(chǎn)生電路中增加電壓穩(wěn)壓電路,,如圖1所示。當分壓電路產(chǎn)生的反饋信號VFB高于帶隙基準源產(chǎn)生的參考電壓VREF時,,比較器輸出邏輯‘0’,,關閉電荷泵電路的驅(qū)動時鐘。同樣,,當反饋信號低于VREF時,,比較器輸出邏輯‘1’,時鐘驅(qū)動電路,、電荷泵正常工作,。
為實現(xiàn)高壓信號VPPH與溫度負相關,設計了分壓比隨溫度變化的分壓電路,。當溫度升高時,,分壓電路中的二極管壓降減小,而溫度升高時,,二極管壓降升高,,使得VPPH隨溫度的升高而降低。
2 實驗結果
2.1 仿真結果
本文中的高壓產(chǎn)生電路在0.13 μm CMOS Embedded EEPROM工藝上實現(xiàn),工作最小電壓1.3 V,,時鐘頻率30 MHz,,負載電容為50 pF。
高壓產(chǎn)生電路VPPH的仿真結果如圖4所示,,其中VBOOST信號為電壓倍乘電路的輸出電壓,,用來向高壓電荷泵中電容提供電荷的驅(qū)動電壓;VPPH的大小為15 V,。
2.2 測試結果
高壓產(chǎn)生電路作為EEPROM的一部分已經(jīng)在0.13 μm CMOS Embedded工藝上完成制備,,面積大小為800 μm×60 μm。
圖5顯示了高壓產(chǎn)生電路的高壓輸出VPPH隨溫度變化的測量結果,??梢钥吹剑妷篤PPH在整個工作溫度范圍內(nèi)(-40 ℃~85 ℃),,隨溫度線性變化約為200 mV,,提升了存儲器在低溫下的擦寫窗口,使得存儲器的低溫可靠性得到提升,。
3 結論
在本文中,,設計并制備了一個應用于EEPROM的低電源電壓工作的高壓產(chǎn)生電路,。測量結果顯示電荷泵在1.3 V~1.65 V的電源下正常工作,;同時采用負溫度特性的電壓分壓電路,實現(xiàn)電荷泵的高壓輸出具有負溫度特性,,補償了存儲器件的電壓窗口隨溫度變化的問題,,提升了低溫條件下的存儲器可靠性。
參考文獻
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作者信息:
李振國1,2,,何 洋1,,2,胡 毅1,,2,,王晉雄1,2,,唐曉柯1,,2,原義棟1,,2,,李垠韜3,袁衛(wèi)國3
(1.北京智芯微電子科技有限公司,,國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室,,北京100192;
2.北京智芯微電子科技有限公司,,北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心,,北京100192;
3.國網(wǎng)冀北電力有限公司,,北京100053)