一種應用于OTP存儲器的新型電荷泵的設計

摘要：對一次性可編程(OTP)存儲器進行編程時需要較大的編程電流，而傳統(tǒng)的DICKSON電荷泵電路所提供的編程電流較小，不能滿足要求。本文提出了一種適用于OTP存儲器的新型電荷泵電路，在3．3V的工作電壓下，輸出電壓7V，內部結點最高電壓僅為8．8V，輸出上升時間100ns，而且具有較高的電流負載能力，非常適合用于OTP存儲器的編程。
關鍵詞：電荷泵；低電源電壓；大電流負載；OTP存儲器

電荷泵是一種利用電容電荷積累來產生高于電源電壓或者負電壓的電路。作為編程高壓產生器，電荷泵電路經常應用于非易失性仔儲器中。它的性能直接決定了整個存儲器的各項性能指標的好壞。
傳統(tǒng)的DICKSON電荷泵電路采用二極管接法的NMOS作為電荷泵單元級，占用面積小，在現在的集成電路工藝中容易實現，是目前最常用的電荷泵類型。然而，較差的電流負載能力和過高的內部節(jié)點電壓等缺點使DICKSON電荷泵并不適用于OTP存儲器。為了解決這些問題，本文提出了一種新型的電菏泵電路。

1 傳統(tǒng)的DICKSON電荷泵
圖1為一個用NMOS構成的DICKSON電荷泵電路圖，它利用二極管(圖中采用二極管接法的NMOS)的單向導電性和電容兩端電壓差不能突變的特性，在兩個互不交疊的時鐘CLK和CLK*的控制下，將電荷從輸入推向輸出，隨著電荷的不斷積累，輸出電壓也越來越高。

負載電流Iout的輸出電壓Vout公式為：

其中Cn為耦合電容，Cs為寄生電容，Vth為每個NMOS上的閾值壓降。
由上式可見，當DICKSON電荷泵應用于OTP存儲器編程時存在以下兩個問題：
(1)與浮柵存儲器的編程不同(浮柵存儲器編程時只需要得到一個高壓，利用高壓向浮柵上注入電子，達到改變閾值的目的，其對電流負載能力要求并不高)，采用MTM或者ONO結構的OTP存儲器的編程往往需要一個較大的電流，而DICKSON電荷泵的輸出電壓隨著輸出電流的提高而急劇下降，根本無法提供我們編程時所需要的電流。
(2)隨著輸出電壓的升高，體效應現象加劇，Vth增大，嚴重的影響了電荷泵的性能。
雖然可以通過改進電荷泵的結構來優(yōu)化電荷泵的性能，如多相時鐘電荷泵、基于倍壓器的電荷泵、柵交叉耦合電荷泵、CTS電荷泵等，它們也僅僅是克服了體效應和閾值下降的影響，依然無法提供較大的編程電流，而且電路復雜，版圖面積較大，對于只需一次性編程的OTP存儲器來說，并不適用。

2 大電流負載電荷泵
圖2是大電流負載電荷泵原理圖，Vctrl為控制電荷泵工作的控制信號，OSC為振蕩器提供方波信號，M1為采用二極管接法的NMOS，C2為OTP存儲單元，M5為控制OTP存儲單元的選擇管。它與DICKSON電荷泵的最大區(qū)別是，它用來燒錄C2的編程電流并不是來自該電荷泵，而是來自外界所提供的高壓Vp，因此它能夠提供較大的穩(wěn)定的編程電流，而該電荷泵所產生的高壓僅僅用來將外界高壓引入存儲單元內部，起了一個控制高壓的作用。