传统的两阈值电荷泵的仿真结果 - 低压单阈值开关电荷泵实现方案

　　将传统的两阈值电荷泵在TSMC 0.35μm的CMOS工艺上，我们假设VP为7V，工作电压为3.3V仿真结果如图2所示。

　　此时在40μs的时间，VBL上升到5.423V，编程电压VP出现1.577V的电压损失，此时内部高压结点电压已经达到9.681V。根据实际的仿真，两阈值开关电荷泵至少工作在VDD=5V下才能将VP完全传递到编程结点。如果外加VDD小于4V时，在某个周期里结点2抬升的电压已经无法维持两个阈值损失，传送的编程电压不再继续抬升而出现损失。并且在4V的VDD下，结点2的电压峰值达到10.5V，超过栅氧击穿电压10V的限制。

　　2 单阈值电荷泵的设计和仿真分析

　　两阈值开关电荷泵存在两个问题，根本原因是管子的体效应不断增加，导致传送的编程电压出现阈值损失，同时造成内部高压结点电压过高。本文设计的单阈值电荷泵的结点电压峰值只需要高于编程电压一个阈值，编程电压就能完全传递到编程结点，使以上的两个问题都得到解决。图3是单阈值电荷泵的原理分析图。

　　外加编程电压VP，结点2直接被拉到V2o=VP-VTH1，初始时ctrl端为0，N4管关断，结点4抬高，P2管关断，此时结点6为VDO，N5管开启，因此结点3被拉低，N2管关断，同时N3打开编程结点7被拉到地。当Ctrl为高，clock为固定周期的方波信号时，电荷泵开始工作，此时结点4被拉低，P2管导通，同时结点6为低，N5管关断，因此结点3的电压等于结点2的电压，同时N3管关断，编程结点被释放出来。第一个周期结点5从0变化到VDD时，令结点2的寄生电容为CS，结点2的电压被拉到

　　V21=VDD×C1/(C1+CS)+VP-VTH1 (8)

　　当结点5从VDD到0时，结点2的电压又被拉到V2o=VP-VTH1。在编程过程中结点2的电压一直在两个电压内来回跳变，即结点3的电压也在两个电压之间来回跳变。要使编程电压VP完全传递到编程结点，结点3的最大电压至少大于编程电压VP一个阈值电压，即

　　V2PEAKmax=V3PEAK≥VP+VTH2 (9)

　　从上面公式可知，该电荷泵结点2电压峰值只需要比编程电压提高一个阈值电压，这基本解决了两阈值电荷泵的第二个问题，同时峰值电压降低一个阈值电压N1，N2的体效应相对两阈值电荷泵更低，第一个问题也得到了一定程度上的优化。

　　在编程电压为7V，工作电压为3.3V时单阈值开关电荷泵的仿真结果如图4所示。

　　仿真结果显示，该电路的峰值电压只高于编程电压1.593V，此时7V的编程电压可以完全传到编程结点。

　　3 结束语

　　本文设计的应用于亚微米或者深亚微米的只读存储器的单阈值电荷泵解决了两阈值电荷泵产生的内部高压结点的威胁，同时也在改善了因体效应变化使编程电压出现传输损失的问题。电路结构在台积电0.35微米的工艺得到仿真验证。