專利名稱：用于無源uhf rfid芯片的eeprom的電荷泵電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子技術領域，涉及半導體集成電路的電可擦除可編程只讀存儲器EEPR0M，可用于無源超高頻射頻識別UHF RFID標簽芯片電路。
背景技術：
隨著無源UHF RFID標簽芯片研究的不斷深入，原有的很多技術難題已經(jīng)被攻克，但作為UHF RFID標簽芯片主流存儲單元和記憶體的EEPR0M，由于其工藝特殊性和設計的復雜性，依然制約著無源UHF RFID前進的步伐，特別是EEPROM的高壓產(chǎn)生電路，一直是限制無源UHF RFID研究和走向實際應用的瓶頸。EEPROM高壓產(chǎn)生電路的基本原理為Dickson電荷泵，目前已經(jīng)發(fā)展了很多成熟、高效率、低功耗高壓產(chǎn)生電路解決方案，其中靜態(tài)電荷轉移開關CTS電荷泵是一種有效的解決方案，如圖I所示。傳統(tǒng)的CTS電荷泵的奇數(shù)級電荷泵單元同時接第一非交疊時鐘信號clk_bar，偶數(shù)級電荷泵單元同時接第二非交疊時鐘信號clk，在CTS電荷泵開始工作后，雙向非交疊時鐘信號clk_bar和elk同時有效，CTS電荷泵的每一級同時開始工作，因此CTS電荷泵在上電期間需要同時對電路中所有電容，包括寄生電容充電，而這些電容之和會超過30pF，要將30pF左右大的電容在短時間內充滿電，會產(chǎn)生很大的功耗。上電期間產(chǎn)生的功耗約為穩(wěn)態(tài)期間所需功耗的10倍以上。因為無源UHF RFID芯片工作所需要的所有能量，均來自于空中的射頻能量，但這種能量極其微弱，約為幾十微瓦，所以CTS電荷泵上電期間的峰值功耗會使芯片的電源電壓迅速下降，導致芯片重新復位，操作失敗。為了解決這個問題，目前使用的方案主要有預充電、變頻時鐘和調幅時鐘，其中預充電方案，在電荷泵開啟之前，通過預充電MOS管將電荷泵每級的電容預充電至VEE，電容總電荷為2nC*VEE，待預充電完成后電荷泵才開始工作。該方案使得充電電流減小了 2nC*VEE/Tsup，其中Tsup為電荷泵上電時間，因此有效降低了上電期間電荷泵的峰值電流。但由于預充電的MOS管需要承受15V左右的高壓，所以必須采用高壓器件。因此該方案總共需要2n個高壓器件，n為正實數(shù)，2n為電荷泵的級數(shù)，其數(shù)值一般大于10，而高壓器件的芯片面積通常比較大，因此此種方案大大增加了芯片面積。變頻時鐘方案，是通過降低時鐘頻率的方式降低上電峰值功耗。由于在數(shù)字電路的功耗P=CV2f，其中C為電路的電容值，V為電路電源電壓，f為電路時鐘頻率，因此降低f可以線性降低電路功耗。變頻時鐘方案使得上電初始階段的時鐘頻率為f/2M，M為分頻數(shù)，之后每間隔At時間，時鐘頻率升高為之前時刻頻率的2倍，直至上電結束。可以看出，采用此種方式后，上電初始時刻峰值功耗降低了 2"倍，之后功耗逐漸增加，與直接加入高頻率時鐘相比，有效降低了上電峰值功耗。但變頻時鐘需要分頻器，由于時鐘頻率一般較高，在2MHz左右，由此導致芯片的功耗較高；調幅時鐘方案，是通過采用時鐘振幅控制模塊，對輸入時鐘振幅進行調整，通過降低時鐘振幅的大小降低電荷泵的上電峰值功耗。其中，時鐘振幅控制模塊通過控制接入電阻阻值大小的方式實現(xiàn)振幅控制。接入阻值越大，時鐘振幅越小，電荷泵的功耗越低。但時鐘振幅控制模塊所需的電阻阻值為幾百千歐左右，增大了芯片面積。從上面的分析可以看出，上述三種解決方案均會導致芯片面積或者功耗的增加，均不滿足無源超高頻射頻識別UHF RFID的應用需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種用于無源UHF RFID芯片的EEPROM的電荷泵電路，以在不增大芯片面積的情況下，減小高壓產(chǎn)生電路上電期間的功耗，滿足無源UHF RFID標簽芯片的使用要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電荷泵電路包括雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路201和主電荷泵204，其特征在于，還包括數(shù)字電路202和控制邏輯電路203 ；所述雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路201，其特征在于將輸入時鐘信號clk_in轉換為 雙相非交疊時鐘信號，該信號由兩個非交疊時鐘信號clk_bar和elk組成，該第一非交疊時鐘信號clk_bar送入給控制邏輯電路203，該第二非交疊時鐘信號elk送入給主電荷泵204 ；所述數(shù)字電路202，其特征在于產(chǎn)生n位控制信號，并將其控制信號送入控制邏輯電路203 ；所述控制邏輯電路203，其特征在于產(chǎn)生n個時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n和一個輸出時鐘信號clk_L,該n個時鐘驅動信號分別送入給主電荷泵204的n個偶數(shù)級電荷泵單元，該輸出時鐘信號(311^1送入給主電荷泵204的輸出級；所述主電荷泵204，其特征在于由2n級相同的電荷轉移開關CTS電荷泵單元和輸出級依次串聯(lián)組成，并利用上述n+1個輸入時鐘和第一非交疊時鐘信號clk_bar，控制2n級CTS電荷泵單元的工作時間，逐級將主電荷泵的輸入電壓VEE升高至電壓Vpp，Vpp是EEPROM存儲器的寫電壓，其中n為正實數(shù)；所述第一非交疊時鐘信號clk_bar和輸出時鐘信號clk_L均與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n的相位相反，且輸出時序為從t0時刻起,第一非交疊時鐘信號clk_bar輸出有效信號；在t0時刻至t2時刻之間，第一時鐘驅動信號clk_2輸出地電平，在t2時刻之后，第一時鐘驅動信號clk_2輸出有效信號；在t0時刻至t4時刻之間，第二時鐘驅動信號clk_4輸出地電平，在t4時刻之后，第二時鐘驅動信號clk_4輸出有效信號；依次類推，第i時鐘驅動信號clk_2i比第i-1時鐘驅動信號clk_2(i_l)推遲A t時間后，再輸出有效信號，其中A t為間隔時間長度，且0〈 A t〈50us，其中i=l，2，…，n ；在t0時刻至tL時刻之間，輸出時鐘信號clk_L輸出地電平，在tL時刻之后，輸出時鐘信號cIk_L輸出有效信號，其中tL時刻比t2n時刻推遲A t時間。上述EEPROM的電荷泵電路，其特征在于2n級相同的電荷泵單元分別編號為第I級、第2級、第3級、第4級、……、第2n-l級、第2n級，每級電荷泵單元由3個NMOS管MD、MS、麗，一個PMOS管MP和一個級間電容C組成；第一 NMOS管MD的柵極與漏極短接，形成二極管連接；第一 NMOS管MD的源極和漏極分別與第二 NMOS管MS的源極和漏極短接；第三NMOS管麗與PMOS管MP組成反相器；第三NMOS管麗的漏極與PMOS管MP的漏極短接，并同時與第二 NMOS管MS的柵極相連；第三NMOS管MN的源極分別與第一 NMOS管MD的漏極和第二 NMOS管MS的漏極短接；第三NMOS管麗的柵極與PMOS管MP的柵極短接，并同時接到第二 NMOS管MS與第一 NMOS管MD的源極，以及級間電容C的“ + ”端；級間電容C的端接時鐘信號；上述的EEPROM的電荷泵電路，其特征在于主電荷泵204的輸出級，由兩個NMOS管MDL、ML和一個輸出級電容CL組成，第一 NMOS管MDL和第二 NMOS管ML均為二極管連接，第一 NMOS管MDL的漏極與柵極短接，并同時與第二 NMOS管ML的漏極和柵極短接；第一NMOS管MDL的源極輸出電荷泵高壓輸出信號Vpp，第二 NMOS管ML的源極接輸出級電容CL的“ + ”端，輸出級電容CL的“”端接時鐘信號。上述的EEPROM電荷泵電路，其特征在于，電荷泵單元的奇數(shù)級，即第I級、第3級、……、第2n-l級的級間電容C的“端相互短接，并與第一非交疊時鐘信號clk_bar相連；電荷泵單元的偶數(shù)級，即第2級、第4級、……、第2n級的級間電容C的端，分別·與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n相連；輸出級電容CL的端接輸出時鐘信號 clk_L。本發(fā)明由于在傳統(tǒng)電荷泵的基礎上加入了數(shù)字電路202和控制邏輯電路203，通過數(shù)字電路202，將輸入時鐘信號clk_in轉化為n位控制信號，通過控制邏輯電路203，利用n位控制信號和第二非交疊時鐘信號elk產(chǎn)生n位時鐘控制信號clk_2、clk_4、……、clk_2n和一位時鐘輸出信號clk_L，并通過這n+1位時鐘信號與主電荷泵204的連接關系，以及n+1位時鐘信號的時序關系，因而與現(xiàn)有的EEPROM電荷泵電路相比，具有如下優(yōu)點I)實現(xiàn)了對電荷泵各級單元級間電容的分時充電，而不是給所有電容同時充電；2)不需要采用電阻和高壓器件，在不增加芯片面積的情況下，降低了電路上電期間的峰值功耗和總功耗，滿足無源UHF RFID芯片的應用需求。


圖I是傳統(tǒng)的CTS電荷泵原理圖和時鐘驅動信號的時序圖；圖2是本發(fā)明中的電荷泵電路原理圖；圖3是本發(fā)明中的主電荷泵原理圖；圖4是本發(fā)明中的時鐘信號的時序圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明進行詳細描述。參照圖1，傳統(tǒng)的CTS電荷泵由2n級相同的CTS電荷泵單元和輸出級依次串聯(lián)組成，其中奇數(shù)級電荷泵單元同時接第一非交疊時鐘信號clk_bar，偶數(shù)級電荷泵單元同時接第二非交疊時鐘信號elk。在CTS電荷泵開始工作后，雙向非交疊時鐘信號clk_bar和elk同時有效，CTS電荷泵的每一級同時開始工作，因此電荷泵電路在上電期間，需要同時對電路中所有電容，包括寄生電容充電，而這些電容之和會超過30pF，要將30pF左右大的電容在短時間內充滿電，會產(chǎn)生很大的功耗。上電期間產(chǎn)生的功耗約為穩(wěn)態(tài)期間所需功耗的10倍以上。參照圖2，本發(fā)明的EEPROM的電荷泵電路包括雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路201、數(shù)字電路202、控制邏輯電路203和主電荷泵204，其中雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路201,其輸入端與外部產(chǎn)生的輸入時鐘信號clk_in相連接，用于產(chǎn)生雙相非交疊時鐘信號，該雙相非交疊時鐘信號由兩個相位相反的非交疊時鐘信號elk和clk_bar組成；該第一非交疊時鐘信號clk_bar送入給主電荷泵204,該第二非交疊時鐘信號elk送入給控制邏輯電路203 ；數(shù)字電路202，其輸入端與外部產(chǎn)生的輸入時鐘信號clk_in連接，用于產(chǎn)生n位控制信號，并將n位控制信號送入給控制邏輯電路203 ；控制邏輯電路203，其輸入端與n位控制信號和第二非交疊時鐘信號elk連接，用于產(chǎn)生n位時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n和一位輸出時鐘信號clk_L，該n個
時鐘驅動信號分別送入給主電荷泵204的n個偶數(shù)級電荷泵單元，該輸出時鐘信號clk_L送入給主電荷泵204的輸出級；主電荷泵204,其輸入端與上述n+1位輸入時鐘和第一非交疊時鐘信號clk_bar相連，用于控制2n級CTS電荷泵單元的工作時間，逐級將主電荷泵的輸入電壓VEE升高至電壓VPP，并將Vpp從主電荷泵204的輸出端輸出，其中Vpp是EEPROM存儲器的寫電壓。參照圖3，主電荷泵204，由2n級相同的CTS電荷泵單元和輸出級依次串聯(lián)組成，其中所述的2n級相同的電荷泵單元，其分別編號為第I級、第2級、第3級、第4級、……、第2n-l級、第2n級；其中電荷泵單元為傳統(tǒng)的CTS電荷泵單元，它由三個NMOS管MD、MS、麗，一個PMOS管MP和一個級間電容C組成，其連接關系為第一 NMOS管MD的柵極與漏極短接，形成二極管連接 ’第一 NMOS管MD的源極和漏極分別與第二 NMOS管MS的源極和漏極短接;第三NMOS管MN與PMOS管MP組成反相器；第三NMOS管MN的漏極與PMOS管MP的漏極短接，并同時與第二 NMOS管MS的柵極相連；第三NMOS管麗的源極分別與第一NMOS管MD的漏極和第二 NMOS管MS的漏極短接；第三NMOS管麗的柵極與PMOS管MP的柵極短接，并同時接到第二 NMOS管MS與第一 NMOS管MD的源極，以及級間電容C的“ + ”端；級間電容C的端接時鐘信號；電荷泵單元的奇數(shù)級，即第I級、第3級、……、第2n-l級電荷泵單元的級間電容C的端相互短接，并同時接第一非交疊時鐘信號clk_bar ;電荷泵單元的偶數(shù)級，即第2級、第4級、……、第2n級電荷泵單元的級間電容C的端分別接時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n ；所述的輸出級，由兩個NMOS管MDL、ML和一個輸出級電容CL組成，其連接關系為第一 NMOS管MDL和第二 NMOS管ML均為二極管連接 ’第一 NMOS管MDL的漏極與柵極短接，并同時與第二 NMOS管ML的漏極和柵極短接；第一 NMOS管MDL的源極輸出電荷泵高壓輸出信號Vpp ;第二 NMOS管ML的源極接輸出級電容CL的“ + ”端，輸出級電容CL的端接時鐘信號clk_L。參照圖4，對上述第一非交疊時鐘信號clk_bar，時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n和輸出時鐘信號clk_L按如下時序特征進行配置第一非交疊時鐘信號clk_bar和輸出時鐘信號clk_L都與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、......、clk_2n的相位相反；從t0時刻起，第一非交疊時鐘信號clk_bar輸出有效信號；在t0時刻至t2時刻之間，第一時鐘驅動信號clk_2輸出地電平，在t2時刻之后，第一時鐘驅動信號clk_2輸出有效信號；在t0時刻至t4時刻之間，第二時鐘驅動信號clk_4輸出地電平，在t4時刻之后，第二時鐘驅動信號clk_4輸出有效信號；依次類推，第i時鐘驅動信號clk_2i比第i-1時鐘驅動信號clk_2 (i-1)推遲A t時間后，再輸出有效信號，其中A t為間隔時間長度，且0〈 A t〈50us，其中i=l，2，…，n ；在t0時刻至tL時刻之間，輸出時鐘信號clk_L輸出地電平，在tL時刻之后，輸出時鐘信號clk_L再輸出有效信號，其中tL時刻比t2n時刻推后A t時間。在采用如上所述的時鐘驅動后，主電荷泵各單元并不是同時開始工作，而是隨著第一非交疊時鐘信號clk_bar與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n以及輸出時鐘信號clk_L依次有效的順序，以流水線的形式依次開始工作，對各級電荷泵單元的級間電容C依次充電，從而避免了對所有電容同時充電所帶來的大功耗問題。并且，本發(fā)明新增的 數(shù)字電路202和控制邏輯電路203不需要采用電阻和高壓器件，因此該EEPROM電荷泵電路在不增加芯片面積的情況下，降低了其上電期間的峰值功耗和總功耗，滿足無源UHF RFID的應用需求。以上描述僅是本發(fā)明的一個具體實例，顯然對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結構的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變仍在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。
權利要求
1.一種用于無源UHF RFID芯片的EEPROM的電荷泵電路，包括雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路(201)和主電荷泵(204)，其特征在于，還包括數(shù)字電路(202)和控制邏輯電路(203); 所述雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路(201)，將輸入時鐘信號clk_in轉換為雙相非交疊時鐘信號，該信號由兩個非交疊時鐘信號clk_bar和elk組成,該第一非交疊時鐘信號clk_bar送入給控制邏輯電路(203)，該第二非交疊時鐘信號elk送入給主電荷泵(204)； 所述數(shù)字電路(202)，用于產(chǎn)生n位控制信號，并將其控制信號送入控制邏輯電路(203)； 控制邏輯電路(203)，用于產(chǎn)生n個時鐘驅動信號clk_2、clk_4、......、clk_2n和一個輸出時鐘信號clk_L，該n個時鐘驅動信號分別送入給主電荷泵(204)的n個偶數(shù)級電荷泵單元，該輸出時鐘信號clk_L送入給主電荷泵(204)的輸出級； 主電荷泵(204)，由2n級相同的電荷轉移開關CTS電荷泵單元和輸出級依次串聯(lián)組成，并利用上述n+1個輸入時鐘和第一非交疊時鐘信號clk_bar，控制2n級CTS電荷泵單元的工作時間，逐級將主電荷泵的輸入電壓VEE升高至電壓Vpp，Vpp是EEPROM存儲器的寫電壓，其中n為正實數(shù)； 所述第一非交疊時鐘信號clk_bar和輸出時鐘信號clk_L均與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n的相位相反，且輸出時序為 從t0時刻起，第一非交疊時鐘信號clk_bar輸出有效信號； 在t0時刻至t2時刻之間，第一時鐘驅動信號clk_2輸出地電平，在t2時刻之后，第一時鐘驅動信號clk_2輸出有效信號； 在t0時刻至t4時刻之間，第二時鐘驅動信號clk_4輸出地電平，在t4時刻之后，第二時鐘驅動信號clk_4輸出有效信號； 依次類推，第i時鐘驅動信號clk_2i比第i-1時鐘驅動信號clk_2(i-l)推遲A t時間后，再輸出有效信號，其中A t為間隔時間長度，且0〈 A t〈50us，其中i=l，2，…，n ； 在t0時刻至tL時刻之間，輸出時鐘信號clk_L輸出地電平，在tL時刻之后，輸出時鐘信號clk_L輸出有效信號，其中tL時刻比t2n時刻推后A t時間。
2.根據(jù)權利要求I所述的EEPROM的電荷泵電路，其特征在于2n級相同的電荷泵單元分別編號為第I級、第2級、第3級、第4級、……、第2n-l級、第2n級，每級電荷泵單元由3個NMOS管(MD、MS、MN)、一個PMOS管(MP)和一個級間電容C組成； 第一 NMOS管(MD)的柵極與漏極短接，形成二極管連接；第一 NMOS管(MD)的源極和漏極分別與第二 NMOS管(MS)的源極和漏極短接；第三NMOS管(MN)與PMOS管(MP)組成反相器；第三NMOS管(MN)的漏極與PMOS管(MP)的漏極短接，并同時與第二 NMOS管(MS)的柵極相連；第三NMOS管(麗)的源極分別與第一 NMOS管(MD)的漏極和第二 NMOS管(MS)的漏極短接；第三NMOS管(麗)的柵極與PMOS管(MP)的柵極短接，并同時接到第二 NMOS管(MS)與第一 NMOS管(MD)的源極，以及級間電容C的“ + ”端；級間電容C的端接時鐘信號。
3.根據(jù)權利要求I所述的EEPROM的電荷泵電路，其特征在于主電荷泵(204)的輸出級，由兩個NMOS管(MDL、ML)和一個輸出級電容CL組成，第一 NMOS管(MDL)和第二 NMOS管(MD均為二極管連接，第一 NMOS管(MDL)的漏極與柵極短接，并同時與第二 NMOS管(ML)的漏極和柵極短接；第一 NMOS管(MDL)的源極輸出電荷泵高壓輸出信號Vpp，第二 NMOS管(ML)的源極接輸出級電容CL的“ + ”端，輸出級電容CL的“-”端接時鐘信號。
4.根據(jù)權利要求I所述的EEPROM電荷泵電路，其特征在于，電荷泵單元的奇數(shù)級，即第I級、第3級、……、第2n-l級的級間電容C的“端相互短接，并與第一非交疊時鐘信號clk_bar相連；電荷泵單元的偶數(shù)級，即第2級、第4級、……、第2n級的級間電容C的端，分別與時鐘驅動信號clk_2、clk_4、……、clk_2n相連；輸出級電容CL的端接輸出時鐘信號clk_L。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于無源UHF RFID芯片的EEPROM的電荷泵電路，主要解決現(xiàn)有EEPROM的電荷泵電路上電期間功耗過大的問題。該裝置由雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路(201)、數(shù)字電路(202)、控制邏輯電路(203)和主電荷泵(204)。其中雙相非交疊時鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字電路和控制邏輯電路將輸入信號轉換為n+2位時鐘信號送入主電荷泵中，該電荷泵奇數(shù)級單元的電容C的“-”端均接時鐘信號clk_bar；該電荷泵偶數(shù)級單元的電容C的“-”端接到時鐘控制信號clk_2、clk_4、……、clk_2n；輸出級電容CL的“-”端接時鐘信號clk_L；第i時鐘信號clk_2i比第i-1時鐘信號clk_2(i-1)推遲△t后，i=1,2，…，n，再輸出有效時鐘信號，從而在上電期間，避免了對所有電容的同時充電，且具有上電期間功耗低的優(yōu)點。
文檔編號H02M3/07GK102780394SQ20121024551
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權日2012年7月16日
發(fā)明者任小嬌, 莊奕琪, 李小明, 杜永乾 申請人:西安電子科技大學