低壓單閾值開關(guān)電荷泵實現(xiàn)方案

　　將傳統(tǒng)的兩閾值電荷泵在TSMC 0.35μm的CMOS工藝上，我們假設(shè)VP為7V，工作電壓為3.3V仿真結(jié)果如圖2所示。

　　此時在40μs的時間，VBL上升到5.423V，編程電壓VP出現(xiàn)1.577V的電壓損失，此時內(nèi)部高壓結(jié)點電壓已經(jīng)達到9.681V。根據(jù)實際的仿真，兩閾值開關(guān)電荷泵至少工作在VDD=5V下才能將VP完全傳遞到編程結(jié)點。如果外加VDD小于4V時，在某個周期里結(jié)點2抬升的電壓已經(jīng)無法維持兩個閾值損失，傳送的編程電壓不再繼續(xù)抬升而出現(xiàn)損失。并且在4V的VDD下，結(jié)點2的電壓峰值達到10.5V，超過柵氧擊穿電壓10V的限制。

　　2 單閾值電荷泵的設(shè)計和仿真分析

　　兩閾值開關(guān)電荷泵存在兩個問題，根本原因是管子的體效應(yīng)不斷增加，導(dǎo)致傳送的編程電壓出現(xiàn)閾值損失，同時造成內(nèi)部高壓結(jié)點電壓過高。本文設(shè)計的單閾值電荷泵的結(jié)點電壓峰值只需要高于編程電壓一個閾值，編程電壓就能完全傳遞到編程結(jié)點，使以上的兩個問題都得到解決。圖3是單閾值電荷泵的原理分析圖。

　　外加編程電壓VP，結(jié)點2直接被拉到V2o=VP-VTH1，初始時ctrl端為0，N4管關(guān)斷，結(jié)點4抬高，P2管關(guān)斷，此時結(jié)點6為VDO，N5管開啟，因此結(jié)點3被拉低，N2管關(guān)斷，同時N3打開編程結(jié)點7被拉到地。當(dāng)Ctrl為高，clock為固定周期的方波信號時，電荷泵開始工作，此時結(jié)點4被拉低，P2管導(dǎo)通，同時結(jié)點6為低，N5管關(guān)斷，因此結(jié)點3的電壓等于結(jié)點2的電壓，同時N3管關(guān)斷，編程結(jié)點被釋放出來。第一個周期結(jié)點5從0變化到VDD時，令結(jié)點2的寄生電容為CS，結(jié)點2的電壓被拉到

　　V21=VDD×C1/(C1+CS)+VP-VTH1 (8)

　　當(dāng)結(jié)點5從VDD到0時，結(jié)點2的電壓又被拉到V2o=VP-VTH1。在編程過程中結(jié)點2的電壓一直在兩個電壓內(nèi)來回跳變，即結(jié)點3的電壓也在兩個電壓之間來回跳變。要使編程電壓VP完全傳遞到編程結(jié)點，結(jié)點3的最大電壓至少大于編程電壓VP一個閾值電壓，即

　　V2PEAKmax=V3PEAK≥VP+VTH2 (9)

　　從上面公式可知，該電荷泵結(jié)點2電壓峰值只需要比編程電壓提高一個閾值電壓，這基本解決了兩閾值電荷泵的第二個問題，同時峰值電壓降低一個閾值電壓N1，N2的體效應(yīng)相對兩閾值電荷泵更低，第一個問題也得到了一定程度上的優(yōu)化。

　　在編程電壓為7V，工作電壓為3.3V時單閾值開關(guān)電荷泵的仿真結(jié)果如圖4所示。

　　仿真結(jié)果顯示，該電路的峰值電壓只高于編程電壓1.593V，此時7V的編程電壓可以完全傳到編程結(jié)點。

　　3 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的應(yīng)用于亞微米或者深亞微米的只讀存儲器的單閾值電荷泵解決了兩閾值電荷泵產(chǎn)生的內(nèi)部高壓結(jié)點的威脅，同時也在改善了因體效應(yīng)變化使編程電壓出現(xiàn)傳輸損失的問題。電路結(jié)構(gòu)在臺積電0.35微米的工藝得到仿真驗證。