关于一种EEPROM中高压产生电路的设计与实现

0 引言

随着物联网的蓬勃发展，射频识别芯片RFID迎来了爆发式的增长需求，EEPROM作为RFID芯片中核心部件，也被提出了低电源电压、高密度、高可靠性等要求。随着工艺尺寸的进一步减小，电路的工作电压也在不断降低，但是EEPROM的擦写操作需要的15 V高压一直不变，其中15.5 V高压器件的阈值电压接近于EEPROM的正常工作电压[1-3]；另外，存储单元的擦写电压窗口随温度的降低而减小，降低了芯片在低温条件下的可靠性。基于以上原因，设计了一款可以工作在低电源电压条件下，同时产生具有温度补偿特性的擦写高压的电荷泵电路；通过对高压电路的设计改进，提升了EEPROM的可靠性。

本设计的高压产生电路如图1所示，包括时钟驱动电路、电压倍乘电路、电荷泵电路以及电压稳压电路。电压倍乘电路将最低为1.3 V的电源电压倍乘，用来驱动高压电荷泵电路。时钟驱动电路产生30 MHz的非交叠两相时钟用来驱动电荷泵。电荷泵电路通过从电压倍乘电路抽取电荷产生15 V的高压。电压稳压电路包括分压电路和比较器，实现高压电荷泵的输出高压稳定在15 V，同时产生一个反馈控制信号VFLAG。

当电荷泵输出高压大于15 V时，分压电路得到的反馈电压大于基准电压，VFLAG等于0，控制时钟驱动电路停止工作。同样，当电荷泵输出高压小于15 V时，反馈信号小于基准电压，VFLAG等于电源电压，控制时钟电路开始工作，使得电荷泵输出高压上升，从而实现输出高压稳定在一个合理的设计值。

电荷泵是高压产生电路中的核心部件。最早的片上电荷泵电路基于Dickson结构[4]，该结构采用电容实现电荷从上一级传递到下一级；然而，器件的高阈值电压及其体效应限制了电荷泵的增益，因此该结构不适用于低电源电压环境。

本论文中，采用电压倍乘电路，得到两倍于电源的电压用来驱动主电荷泵电路，实现了高压产生电路的低电源电压工作[5]。同时，采用具有负温度系数特性的分压电路，实现电荷泵电路输出电压的负温度特性，解决了EEPROM在低温条件下可靠性降低的问题。

1 升压电路

1.1 电压倍乘电路

图2中，M1、M2是交叉连接的Native NMOS器件，其漏端neta、netb分别通过各自的电荷泵电容C1、C2连接至时钟CLK及其不交叠反相时钟CLKB。PMOS器件M5、M6为所有PMOS器件M3~M6提供合适的衬底电压。M3、M4交叉连接构成输出级。当CLK为低电平时，M1、M3导通，M2、M4截止，此时节点neta的电压等于输入电压VIN。当CLK出现上升沿后，M1~M4全部截止，由于neta没有充、放电通道，其电压被抬高至VIN+VCLK，其中VCLK为时钟CLK的幅度。因此，M1、M3截止，M2、M4导通。理想条件下，VOUT等于两倍的电源电压。该电路具有内部节点电压不随时钟信号跳变而大幅度变化的特点。

1.2 电荷泵电路

电压倍乘电路都有一个输入电压和一个输出电压，结果等于VOUT=VIN+VCLK。在理想情况下，将N个电压倍乘电路作为子单元级联起来就可以得到大小为(N+1)·VDD的电压[6]。高压电荷泵电路如图3所示。

本设计中，电荷泵电路由10级电压倍乘电路组成，其中第一级的输入电压为VDD，所有级的时钟电压幅度为电压倍乘电路的输出电压，约为2·VDD。

因此，理想条件下电荷泵输出电压VPPH的理想值为：

由于体效应、高压漏电等非理想因素的影响，电荷泵的输出高压达不到式(1)中的理想值。

1.3 电压稳压电路

为了防止过高的高压损坏存储器件，降低EEPROM的可靠性，需要稳定电荷泵的输出高压。通常在高压产生电路中增加电压稳压电路，如图1所示。当分压电路产生的反馈信号VFB高于带隙基准源产生的参考电压VREF时，比较器输出逻辑‘0’，关闭电荷泵电路的驱动时钟。同样，当反馈信号低于VREF时，比较器输出逻辑‘1’，时钟驱动电路、电荷泵正常工作。

为实现高压信号VPPH与温度负相关，设计了分压比随温度变化的分压电路。当温度升高时，分压电路中的二极管压降减小，而温度升高时，二极管压降升高，使得VPPH随温度的升高而降低。

2 实验结果

2.1 仿真结果

本文中的高压产生电路在0.13 μm CMOS Embedded EEPROM工艺上实现，工作最小电压1.3 V，时钟频率30 MHz，负载电容为50 pF。

高压产生电路VPPH的仿真结果如图4所示，其中VBOOST信号为电压倍乘电路的输出电压，用来向高压电荷泵中电容提供电荷的驱动电压；VPPH的大小为15 V。

2.2 测试结果

高压产生电路作为EEPROM的一部分已经在0.13 μm CMOS Embedded工艺上完成制备，面积大小为800 μm×60 μm。

图5显示了高压产生电路的高压输出VPPH随温度变化的测量结果。可以看到，电压VPPH在整个工作温度范围内(-40 ℃~85 ℃)，随温度线性变化约为200 mV，提升了存储器在低温下的擦写窗口，使得存储器的低温可靠性得到提升。

3 结论

在本文中，设计并制备了一个应用于EEPROM的低电源电压工作的高压产生电路。测量结果显示电荷泵在1.3 V~1.65 V的电源下正常工作；同时采用负温度特性的电压分压电路，实现电荷泵的高压输出具有负温度特性，补偿了存储器件的电压窗口随温度变化的问题，提升了低温条件下的存储器可靠性。