应用于深亚微米存储器的电荷泵设计

　　因只读存储器的基本存储单元只进行一次编程，编程后的数据能长时间保存，且在编程时需要流过mA级以上的电流，所以只读存储器编程时通常采用外加编程高压，内部的电荷泵。在设计此类电荷泵时，击穿电压和体效应的影响成为严重的问题。我们设计了一款电荷泵用以在存储器中传递外部编程高压。这种电荷泵利用高压NMOS器件提高了耐压特性并保证了正常工作，且增加了衬底偏置以缩短电荷泵的稳定时间。

　　电荷泵电路结构和工作原理

　　1 常压MOS管电荷泵

　　图1所示是初步提出的电荷泵电路原理图，其中所有的器件均为常压器件。

　　图1 常压MOS管构成的电荷泵原理图

　　初始化过程中，clear信号为低电平。此时N5管打开，将节点4清零;由于N4栅极始终接高电平，N4管打开，将节点3清零。

　　初始化结束后电荷泵进入工作状态。Vp为外加编程高压，clear信号保持高电平，clk信号为固定周期的方波信号。N4栅极恒为高电平，因此会将clear信号的高电平传输到节点3，节点3的初始电压为V3.0=VDD-VTH4。节点5为与clk信号周期相同、相位反相的方波信号。以下依据节点5信号的变化具体分析电荷泵的工作原理。

　　第1周期，节点5首先维持半个周期的高电平。根据电荷分享原理，此时节点2的电压由电容C1和Cs的分压决定(其中Cs为节点2的寄生电容)，电压可表示为：

　　V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2管为饱和接法，节点3的电压被钳位，表达式为：

　　V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2 (2)

　　随后节点5转为低电平，节点2电压逐渐下降。由于没有泄放通路，电压会在节点3一直保持下去，并且由于C1远大于节点2的寄生电容，使得半个高电平周期后节点3的电压足以使N1管打开。N1管的开启使得节点2的电位不会持续下降，而是会被钳位到电压值。

　　V’2,1=V2,1-VTH2-VTH1=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (3)

　　这个便是第一周期过后节点2上形成的电压值。

　　第二个周期，同样的节点5会经历高电平和低电平各半个周期。这一过程仍然会在节点3和节点2上积累电荷。与第一周期类似的推导可得到以下一组表达式：

　　V2,2=V’2,1+C1VDD/(C1+CS) (4)

　　V3,2=V2,2-VTH2 (5)

　　V’2,2=V3,2-VTH2=V2,2-VTH2-VTH1=V’2,1+C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (6)

　　比较公式(3)和公式(6)可发现，每一周期节点2上增加的电压为：

　　ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)

　　依次类推，第i个周期节点5维持高电平时，节点2和节点3的电压为：

　　V2,i=C1VDD/(C1+CS)+(i+1)[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (8)

　　V3,i=C1VDD/(C1+CS)-VTH2+(i-1)[(C1+CS)-VTH2-VTH1] (9)

　　V’2,i=i[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (10)

　　V3不会持续升高，当到达一定值时会通过N1、N3被Vp钳位，此时电荷泵进入稳态且Vp能完整传递到编程节点4。但在进入稳态之前，V2和V3会在高电平半周达到大于Vp的电压峰值，随后在低电平半周稳定。