高压MOS电荷泵 - 应用于深亚微米存储器的电荷泵设计

　　理论上分析电荷泵可以正常工作。然而一些潜在的问题可能会引发电路的不正常工作。

　　首先，随着工艺尺寸的缩小，电路所用的电源电压VDD，能承受的栅源击穿电压BVGS、源漏穿通电压BVDS，漏PN结击穿电压BVDB都降低。若在电荷泵工作过程中，V2和V3升高到高于其中一种击穿电压，则会使得器件和电路面临烧毁或无法正常工作的危险。

　　其次，考虑体效应的影响器件的阈值电压在不断变化。因V2和V3不断升高，即N1、N2管源极电位不断升高，考虑衬底偏置效应后器件的阈值电压由下式给出：

(11)

(12)

　　则随着震荡周期数的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不断增大，在V2和V3达到峰值时体效应影响最为严重。这使得一个周期内V2和V3提升的电压值越来越小，导致电荷泵到达稳定状态所需经历的周期数增加。更严重的情况是，考虑在电荷泵上升且还未达到稳态的过程中，因VTH2,i和VTH1,i变大，如果在某个周期时使得公式(13)成立：

　　C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i<0 (13)

　　则每个周期内V2抬升的电压无法维持两个阈值损失，导致Vp无法传到编程节点4。

　　基于以上讨论，对初始提出的电路进行改进，改进后如图2所示。图2中将4个需要承受峰值高压的器件用高压管代替普通管，以保证电路在V2、V3的尖峰电平下正常工作。高压器件的选择视各制造工艺而定，仿真所基于的工艺提供了性能优良的高压器件，使成功提升了电路的耐压。对于不同工艺可相应从其提供的器件类型中选择器件，并配合编程电压的设置来完成耐压的增强。将N1、N2的衬底电位单独接出并加上合适的电位以减弱体效应的影响。这样做的代价是需要额外加入产生这个衬底电位的电路。根据需求不同，可以产生固定衬底电位或随源衬电压变化的跟随衬底电位。

　　图2 高压MOS器件构成电荷泵电路结构图

　　仿真结果

　　高压管实现的电荷泵电路基于TSMC 0.18μm工艺进行仿真验证。设置不同的衬底电位将得出不同的仿真结果。

　　如图3所示为衬底接地的电路仿真波形图。电源电压3.3V，时钟周期106ns，外加编程高压7.5V，电荷泵在500ns后开始工作。从仿真结果可以看出，V2和V3的峰值电压在10V左右，比稳态高出2.5V。对于正常工作在3.3V电源电压下的常压普通管而言，峰值电压必然会带来不可忽视的危害。此外可得出，电荷泵工作11个时钟周期后在1.7μs达到7.5V的稳态值。进入稳态之后，仅存在0.2V的纹波，满足稳定编程要求。

　　图3 衬底接地电位的仿真波形图

　　图4 衬底接2V电压的仿真波形图

　　衬底接2V电压的仿真结果如图4所示，其余信号与图3中相同。与图3相比，峰值电压相等，但电荷泵的工作时间明显缩短。数据显示，电荷泵工作9个周期后近似在1.5μs达到7.5V的稳态值。由此证明，体效应对电路影响较大，加合适的衬底电位可明显较弱其不良影响。