專利名稱：一種高壓電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中的一 種高壓電荷泵電路。
技術(shù)背景電荷泵電路是一種通過電容上積累效應(yīng)來產(chǎn)生高于電源電壓的電路， 一般作 為編程電壓產(chǎn)生器或電平轉(zhuǎn)換電路中的高壓產(chǎn)生器應(yīng)用于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中。圖lA是Dickson電荷泵的基本結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路102、 Dickson電 荷泵核心電路101以及穩(wěn)壓電路103組成。時(shí)鐘產(chǎn)生電路102用來產(chǎn)生兩相不交疊 時(shí)鐘信號(hào)CLKa、 CLKb; Dickson電荷泵核心電路101用來產(chǎn)生高壓Vp;穩(wěn)壓電路103 用來調(diào)節(jié)輸出高壓Vp，使得Vp在規(guī)定值范圍內(nèi)。圖lB是兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CLKa和CLKb的時(shí)序圖。CLKa和CLKb都是方波信 號(hào)，在電源電壓V。。和地GND之間跳變。CLKa、 CLKb不能同時(shí)為高電平，例如當(dāng)CLKa 為高電平時(shí)，CLKb—定是低電平。圖lC是一個(gè)N級(jí)Dickson電荷泵示意圖。它由二極管Di a和合耦合電容d G 組成，其中二極管是為了保證電荷從前向后的單向流動(dòng)。當(dāng)CLKa為低電平時(shí)，二 極管Di導(dǎo)通，V。。對(duì)d充電，直至節(jié)點(diǎn)1的電壓為V^Vd (Vd為二極管的開啟電壓)； 當(dāng)CLKa為高電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)l的電壓被抬高到2VmrVd，D2導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)1對(duì)電容G充電， 直至節(jié)點(diǎn)2的電壓被抬高到2V。。-2Vd;如此遞推，輸出電壓Vp^DD+n(VDD-Vd)-Vd，考 慮節(jié)點(diǎn)處寄生電容Cs和負(fù)載電流A,的影響，則輸出電壓為橋式中C表示每一級(jí)的耦合電容，為時(shí)鐘ox(。/b)的頻率。在CMOS工藝中，Dickson核心電路中的二極管用柵源短接的MOS管來代替，其 開啟電壓即為MOS管的閾值電壓Vth，因而輸出電壓可以用下式表示-<formula>formula see original document page 4</formula>從輸出電壓Vp的表達(dá)式可以看出，電源電壓V。D和MOS管的閾值電壓Vth的改變 對(duì)輸出電壓Vp的數(shù)值影響很大。當(dāng)電源電壓L增大An，輸出電壓Vp就增大(w+i)An。當(dāng)工藝波動(dòng)或者芯片工作溫度改變時(shí)，閾值電壓也會(huì)有較大的波動(dòng)，同樣對(duì)輸出電壓產(chǎn)生很大的改變。若電源電壓和MOS管閾值電壓向相反的方向變 化，例如電源電壓Vw增大而閾值電壓減小，那么輸出電壓Vp的增加量會(huì)更大。所以，實(shí)際中都要對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，以得到高精度的輸出電壓。以下是幾 種代表性的穩(wěn)壓電路。圖2A是一種傳統(tǒng)方法對(duì)輸出高壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的電路的示意圖。其原理是在 輸出端串聯(lián)的電容C1、 C2中間的節(jié)點(diǎn)對(duì)電壓采樣得到Vs，并與Vref在比較器COMP 中比較。當(dāng)電荷泵輸出電壓高于預(yù)定值，SPVs〉Vref時(shí)，比較器COMP輸出高電平 信號(hào)來打開NM0S管M1，以泄放輸出端的電荷；同理，當(dāng)電荷泵輸出電壓低于預(yù)期 值時(shí)，g[]Vs〈Vref時(shí)，比較器C0MP輸出低電平信號(hào)來關(guān)斷醒0S管M1，以阻止輸出 端電荷的泄放，從而最終保持輸出端上電壓的穩(wěn)定性。圖2B是公開號(hào)為CN1591115的專利電路示意圖。電荷泵電路16的監(jiān)測(cè)輸出電 壓Vs反饋到穩(wěn)壓電路lO?；鶞?zhǔn)電壓比較器14通過比較檢測(cè)輸出電壓Vs和基準(zhǔn)電壓 Vref來控制晶體管Tr的導(dǎo)通和關(guān)斷，這樣就可以調(diào)整電池電壓Vbat并作為輸入電 壓Vin提供給電荷泵電路，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖2C是公開號(hào)為CN1477773的專利電路示意圖。在時(shí)鐘產(chǎn)生模塊和耦合電容 之間連接著一個(gè)耦合電容控制器，其控制信號(hào)來自比較器的輸出端，該耦合電容 控制器等效于一個(gè)阻值隨比較器輸出電壓變化而變化的可變電阻。其阻值用來控 制耦合電容控制器輸出的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)電荷泵電路中耦合電容的充放電速度，從而 達(dá)到了穩(wěn)定輸出電壓的效果。以上三種穩(wěn)壓電路的共同點(diǎn)是需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，并要求基準(zhǔn)電壓 值不會(huì)因?yàn)殡娫措妷翰▌?dòng)、工藝波動(dòng)、溫度改變等因素改變，這就大大加大了電 路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。此外，引入基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和比較器等電路增大了電路的面積和功耗。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出涉及到非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中的一種高壓電荷泵電路。是一 種能夠抑制電壓波動(dòng)、工藝偏差和溫度變化影響的高穩(wěn)定性、高可靠性的電荷泵 電路。該電荷泵電路的穩(wěn)壓電路由鉗位電路、泄流電路和泄流控制電路組成，其 中的泄流控制電路可以抑制電源電壓變化、工藝的波動(dòng)和溫度的變化引起的輸出 電壓變化。該電荷泵不使用基準(zhǔn)電壓源電路，設(shè)計(jì)難度小，易于實(shí)現(xiàn)，具有穩(wěn)定 性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。所述高壓電荷泵電路含有電荷泵核心電路，由兩路Dickson電荷泵組成，減小了輸出端電壓的紋波；PMOS管的襯底電平可以動(dòng)態(tài)選擇漏源間較高的電位，避免了襯底的耐高壓?jiǎn)栴}；時(shí)鐘產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CLKa、 CLKb;穩(wěn)壓電路，由鉗位電路、泄流電路和泄流控制電路組成，可以抑制電源電壓 變化、工藝的波動(dòng)和溫度的變化引起的輸出電壓變化。所述泄流控制電路，可以感應(yīng)MOS管閾值電壓的變化，和感應(yīng)輸出電壓的變 化，從而輸出相應(yīng)的控制信號(hào)；所述鉗位電路，其導(dǎo)通能力隨電荷泵核心電路輸出電壓變化而同向變化；所述泄流電路，有兩個(gè)雨OS管同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化。其中一個(gè)腿OS管與 地相連，其柵極與泄流控制電路的輸出相連接；另一個(gè)麗OS管其柵極直接與鉗位 電路相連，其跨導(dǎo)隨著羅0S管1導(dǎo)通電阻的減小而增大；本發(fā)明的有益效果是由實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明是一種能夠抑制電壓波動(dòng)、工藝偏 差和溫度變化影響的高穩(wěn)定性、高可靠性的電荷泵電路。該電荷泵電路的穩(wěn)壓電 路由鉗位電路、泄流電路和泄流控制電路組成，其中的泄流控制電路可以抑制電 源電壓變化、工藝的波動(dòng)和溫度的變化引起的輸出電壓變化。該電荷泵不使用基 準(zhǔn)電壓源電路，設(shè)計(jì)難度小，易于實(shí)現(xiàn)，具有穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā) 明能夠抑制電壓波動(dòng)、工藝偏差和溫度變化的影響，產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出高壓，達(dá)到 了預(yù)期的目的。


圖1A為Dickson電荷泵的基本結(jié)構(gòu)。圖IB為兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CLKa和CLKb的時(shí)序圖。圖IC為N級(jí)Dickson電荷泵示意圖。圖2A為傳統(tǒng)方法對(duì)輸出高壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的電路的示意圖。 圖2B為公開號(hào)為CN1591115的專利中的電路示意圖。 圖2C為公開號(hào)為CN1477773的專利中的電路示意圖。 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖中101，電荷泵核心電路；102，時(shí)鐘產(chǎn)生電路；103，穩(wěn)壓電路；104， 鉗位電路；105，泄流控制電路；106，泄流電路； 圖4A為圖3中電荷泵核心電路原理圖。 圖4B為圖3中鉗位電路和泄流電路的原理圖。 圖4C為圖3中泄流控制電路的原理圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出涉及到非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中的一種高壓電荷泵電路。后面結(jié)合附圖 和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以具體說明。在圖3所示的本發(fā)明的系統(tǒng)框圖中，時(shí)鐘產(chǎn)生 電路102連接到電荷泵核心電路101的輸入端，電荷泵核心電路101的輸出連接穩(wěn) 壓電路103的鉗位電路104和泄流電路106，在鉗位電路104和泄流電路106之間連 接泄流控制電路105。時(shí)鐘產(chǎn)生電路102產(chǎn)生兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)CLKa和CLKb (如圖4A所示)；電源 電壓V』皮電荷泵核心電路101升到高壓Vp;穩(wěn)壓電路103中的鉗位電路104、泄流 控制電路105和泄流電路106被用來調(diào)節(jié)輸出電壓Vp，使Vp能被限制在規(guī)定的范圍 內(nèi)。即若電源電壓V。D增大，電荷泵核心電路101的輸出電壓Vp增大，鉗位電路104 中的Vs隨之增大，Vs的增大經(jīng)過泄流控制電路105后引起控制電壓Vctl的增大， 最終導(dǎo)致泄流電路106中的電流增大，使得Vp下降到最高允許電壓以下；同理， 若V。D減小，穩(wěn)壓電路103也能使得Vp上升到最低允許電壓以上。在工藝波動(dòng)或者 溫度改變時(shí)，穩(wěn)壓電路的反饋機(jī)制都能將Vp穩(wěn)定在允許電壓范圍內(nèi)。上述電荷泵核心電路101的原理圖如圖4A所示，其抬高電壓的原理和圖1C中電荷泵相同。該電荷泵由兩條支路a和b組成。當(dāng)a支路向輸出端Vp充電時(shí)，b支路 中Ub7的二極管關(guān)斷；反之亦然。通過這種方式，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)a、 b支路交 替地向輸出端補(bǔ)充電荷，減小了輸出端的紋波。a、 b支路各由l個(gè)連接成二極管 的原生麗OS管和7個(gè)連接成二極管的PMOS管(圖中Ual Ua7、 Ubl Ub7)組成。其 第一級(jí)采用低閾值電壓、耐高壓的原生NMOS管，從而保證了第一級(jí)有較高的電壓 增益和安全性；第二級(jí)至輸出端均為連接二極管的PMOS管，這些襯底電平可以動(dòng) 態(tài)選擇漏源間較高的電位，避免了襯底的耐高壓?jiǎn)栴}。(PMOS管為P型MOS管；麵OS 管為N型MOS管)圖4B是本發(fā)明的鉗位電路和泄流電路的原理圖。鉗位電路104由7個(gè)尺寸完全 相同的連接成二極管的PMOS組成。 一方面，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，PMOS管的源柵電 壓Vsg增大，導(dǎo)通電流增大，從而降低了輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了鉗位電路的穩(wěn)壓作用； 另一方面，如果電荷泵核心電路中PMOS管的閾值電壓升高，鉗位電路的閾值電壓 也升高，從而使得鉗位電路的導(dǎo)通能力隨著輸出電壓的降低而降低。泄流電路由 4個(gè)PM0S管和兩個(gè)麗0S管(Mnl、 Mn2)串聯(lián)構(gòu)成。Mn2的柵極直接與Vs相連，Vs經(jīng) 過泄流電路控制電路后產(chǎn)生Vctl， Vctl與Mnl的柵極相連。當(dāng)Vctl增大時(shí)，Mnl的 導(dǎo)通能力增加，Mnl的導(dǎo)通電阻減小。由于Mnl相當(dāng)于Mn2的源極負(fù)反饋電阻，因 而Mn2的跨導(dǎo)也增加。同時(shí)，由Vp增加引起的Vs的增加使得Mn2的柵極電壓增加， 也增加了Mn2的導(dǎo)通能力。Mn2導(dǎo)通能力的增加使得Mnl的分壓增加，Mnl的漏源電 壓增加，由于醒OS管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)，這也會(huì)有助于Mnl導(dǎo)通電流的增大。 綜上所述，當(dāng)Vs和Vctl同時(shí)增大時(shí)，Mnl和Mn2相互作用使得泄流電路的導(dǎo)通能力 增強(qiáng)，從而起到了穩(wěn)定輸出電壓的能力。圖4C是本發(fā)明的泄流控制電路的原理圖，該電路由A支路和B支路構(gòu)成。A支 路由V。D到GND的5個(gè)連接成二極管的NM0S串聯(lián)而成，其主要作用是監(jiān)控醒OS管閾值電壓的變化。畫os管電流為^gj^—糊")，其中g(shù)。,7^^I^表示麗os管的跨導(dǎo)，p;.為蘭OS管的柵源電壓，^為NMOS管的閾值電壓，A為醒OS中載流子的遷移率，c。,為單位面積的柵氧化層電容，『"為NMOS管的柵極寬長比。A支路中Mctla2 Mctla5的寬長比大于Mctlal的寬長比，這使得前者的跨導(dǎo)大于后者。 考慮到工藝波動(dòng)或者溫度變化的影響，若麗OS管的閾值電壓增大，先假設(shè)A支路 中所有麗OS管的Vgs保持不變，由于Mctlal的跨導(dǎo)小，其電流改變量也小，故為 了維持Mctla2 Mctla5與Mctlal的匹配，必須減小Mctlal的柵源電壓。也就是說， Vl點(diǎn)的電壓隨著麗OS管閾值電壓的升高而降低，經(jīng)過B支路麗OS管Mctlbl的反相 放大后，Mctlbl的漏極電壓Vctl就隨著NMOS管閾值電壓的升高而升高。對(duì)于B支 路，Vs經(jīng)三個(gè)連接成二極管的醒OS管連接到Vctl，由于Mctlbl的寬長比較小，即 Mctlbl的輸出阻抗較大，那么Vctl就會(huì)隨著Vs的增大而增大。若PMOS管閾值電壓 增大，則輸出電壓Vp減小，在鉗位電路上的采樣點(diǎn)電壓Vs也減小，Vctl隨之減小， 故泄流控制電路的輸出電壓Vctl也隨著PMOS管閾值電壓的增大而減小。以上的實(shí)施例分析，說明了該設(shè)計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明具有一般性， 并不局限于該實(shí)施例，能廣泛的應(yīng)用于一般的電荷泵電路設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1. 一種高壓電荷泵電路，其特征在于，所述高壓電荷泵電路包含電荷泵核心電路，由兩路Dickson電荷泵組成，減小了輸出端電壓的紋波；PMOS管的襯底電平可以動(dòng)態(tài)選擇漏源間較高的電位，避免了襯底的耐高壓?jiǎn)栴}；時(shí)鐘產(chǎn)生電路，產(chǎn)生兩相非交疊時(shí)鐘信號(hào)CLKa、CLKb；穩(wěn)壓電路，由鉗位電路、泄流電路和泄流控制電路組成，可以抑制電源電壓變化、工藝的波動(dòng)和溫度的變化引起的輸出電壓變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高壓電荷泵電路，其特征在于，所述泄流控制電路， 可以感應(yīng)MOS管閾值電壓的變化，和感應(yīng)輸出電壓的變化，從而輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高壓電荷泵電路，其特征在于，所述鉗位電路，其導(dǎo) 通能力隨電荷泵核心電路輸出電壓變化而同向變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高壓電荷泵電路，其特征在于，所述泄流電路，有兩 個(gè)麗OS管同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化，其中一個(gè)麗OS管與地相連，其柵極與泄流控 制電路的輸出相連接；另一個(gè)麗OS管其柵極直接與鉗位電路相連，其跨導(dǎo)隨著 麗0S管1導(dǎo)通電阻的減小而增大。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高壓電荷泵電路，其特征在于，所述電荷泵核心電路 中PM0S管的襯底電平可以動(dòng)態(tài)選擇漏源間較高的電位，避免了襯底的耐高壓?jiǎn)?題。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中的一種高壓電荷泵電路。時(shí)鐘產(chǎn)生電路連接到電荷泵核心電路的輸入端，電荷泵核心電路的輸出連接穩(wěn)壓電路的鉗位電路和泄流電路，在鉗位電路和泄流電路之間連接泄流控制電路。穩(wěn)壓電路中的泄流控制電路，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)Vctl。泄流控制電路不但可以監(jiān)測(cè)輸出電壓的變化，而且能夠感應(yīng)由于工藝波動(dòng)和溫度變化而造成的電路中MOS管閾值電壓變化。泄流電路在Vctl的控制下，改變泄放電流的大小，從而達(dá)到了穩(wěn)定輸出端高壓的目的。本發(fā)明能在一定程度上抑制電源電壓波動(dòng)、工藝偏差、溫度變化等因素對(duì)電荷泵性能的影響，從而提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101272090SQ20071011855
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者春 張, 李永明, 潘立陽, 王志華, 馬繼榮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)