一種應(yīng)用于OTP存儲(chǔ)器的新型電荷泵的設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)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(chǔ)器的新型電荷泵電路，在3．3V的工作電壓下，輸出電壓7V，內(nèi)部結(jié)點(diǎn)最高電壓僅為8．8V，輸出上升時(shí)間100ns，而且具有較高的電流負(fù)載能力，非常適合用于OTP存儲(chǔ)器的編程。
關(guān)鍵詞：電荷泵；低電源電壓；大電流負(fù)載；OTP存儲(chǔ)器

電荷泵是一種利用電容電荷積累來產(chǎn)生高于電源電壓或者負(fù)電壓的電路。作為編程高壓產(chǎn)生器，電荷泵電路經(jīng)常應(yīng)用于非易失性仔儲(chǔ)器中。它的性能直接決定了整個(gè)存儲(chǔ)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)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(jí)，占用面積小，在現(xiàn)在的集成電路工藝中容易實(shí)現(xiàn)，是目前最常用的電荷泵類型。然而，較差的電流負(fù)載能力和過高的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓等缺點(diǎn)使DICKSON電荷泵并不適用于OTP存儲(chǔ)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(gè)用NMOS構(gòu)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?qū)щ娦院碗娙輧啥穗妷翰畈荒芡蛔兊奶匦裕趦蓚€(gè)互不交疊的時(shí)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(fù)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(gè)NMOS上的閾值壓降。
由上式可見，當(dāng)DICKSON電荷泵應(yīng)用于OTP存儲(chǔ)器編程時(shí)存在以下兩個(gè)問題：
(1)與浮柵存儲(chǔ)器的編程不同(浮柵存儲(chǔ)器編程時(shí)只需要得到一個(gè)高壓，利用高壓向浮柵上注入電子，達(dá)到改變閾值的目的，其對(duì)電流負(fù)載能力要求并不高)，采用MTM或者ONO結(jié)構(gòu)的OTP存儲(chǔ)器的編程往往需要一個(gè)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(shí)所需要的電流。
(2)隨著輸出電壓的升高，體效應(yīng)現(xiàn)象加劇，Vth增大，嚴(yán)重的影響了電荷泵的性能。
雖然可以通過改進(jìn)電荷泵的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化電荷泵的性能，如多相時(shí)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(yīng)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(fù)雜，版圖面積較大，對(duì)于只需一次性編程的OTP存儲(chǔ)器來說，并不適用。

2 大電流負(fù)載電荷泵
圖2是大電流負(fù)載電荷泵原理圖，Vctrl為控制電荷泵工作的控制信號(hào)，OSC為振蕩器提供方波信號(hào)，M1為采用二極管接法的NMOS，C2為OTP存儲(chǔ)單元，M5為控制OTP存儲(chǔ)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(chǎn)生的高壓僅僅用來將外界高壓引入存儲(chǔ)單元內(nèi)部，起了一個(gè)控制高壓的作用。