CN101272090B - 一种高压电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于模拟集成电路设计技术领域，尤其涉及到非挥发性存储器中的一种高压电荷泵电路。时钟产生电路连接到电荷泵核心电路的输入端，电荷泵核心电路的输出连接稳压电路的钳位电路和泄流电路，在钳位电路和泄流电路之间连接泄流控制电路。稳压电路中的泄流控制电路，产生一个控制信号Vctl。泄流控制电路不但可以监测输出电压的变化，而且能够感应由于工艺波动和温度变化而造成的电路中MOS管阈值电压变化。泄流电路在Vctl的控制下，改变泄放电流的大小，从而达到了稳定输出端高压的目的。本发明能在一定程度上抑制电源电压波动、工艺偏差、温度变化等因素对电荷泵性能的影响，从而提高电路的稳定性和可靠性。

Description

一种高压电荷泵电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计技术领域，尤其涉及到非挥发性存储器中的一种高压电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路是一种通过电容上积累效应来产生高于电源电压的电路，一般作为编程电压产生器或电平转换电路中的高压产生器应用于非挥发性存储器中。

图1A是Dickson电荷泵的基本结构。本结构由时钟产生电路102、Dickson电荷泵核心电路101以及稳压电路103组成。时钟产生电路102用来产生两相不交叠时钟信号CLKa、CLKb；Dickson电荷泵核心电路101用来产生高压Vp；稳压电路103用来调节输出高压Vp，使得Vp在规定值范围内。

图1B是两相不交叠时钟信号CLKa和CLKb的时序图。CLKa和CLKb都是方波信号，在电源电压V_DD和地GND之间跳变。CLKa、CLKb不能同时为高电平，例如当CLKa为高电平时，CLKb一定是低电平。

图1C是一个N级Dickson电荷泵示意图。它由二极管D₁～D_N和合耦合电容C₁～C_N组成，其中二极管是为了保证电荷从前向后的单向流动。当CLKa为低电平时，二极管D₁导通，V_DD对C₁充电，直至节点1的电压为V_DD-V_d(V_d为二极管的开启电压)；当CLKa为高电平时，节点1的电压被抬高到2V_DD-V_d，D₂导通，节点1对电容C₂充电，直至节点2的电压被抬高到2V_DD-2V_d；如此递推，输出电压Vp＝V_DD+n(V_DD-V_d)-V_d，考虑节点处寄生电容Cs和负载电流I_out的影响，则输出电压为：

$\mathrm{Vp}=\mathrm{VDD}+N(\frac{C}{C+\mathrm{Cs}}\mathrm{VDD}-\mathrm{Vd}-\frac{I_{\mathrm{out}}}{(C+\mathrm{Cs})f_{\mathrm{CLK}}})-\mathrm{Vd},$

式中C表示每一级的耦合电容，f_CLK为时钟CLK_(a/b)的频率。

在CMOS工艺中，Dickson核心电路中的二极管用栅源短接的MOS管来代替，其开启电压即为MOS管的阈值电压Vth，因而输出电压可以用下式表示：

$\mathrm{Vp}=\mathrm{VDD}+N(\frac{C}{\mathrm{Cs}}\mathrm{VDD}-\mathrm{Vth}-\frac{I_{\mathrm{out}}}{(C+\mathrm{Cs})f_{\mathrm{CLK}}})-\mathrm{Vd}.$

从输出电压Vp的表达式可以看出，电源电压V_DD和MOS管的阈值电压Vth的改变对输出电压Vp的数值影响很大。当电源电压V_DD增大ΔV1，输出电压Vp就增大(N+1)ΔV1。当工艺波动或者芯片工作温度改变时，阈值电压也会有较大的波动，同样对输出电压产生很大的改变。若电源电压和MOS管阈值电压向相反的方向变化，例如电源电压V_DD增大而阈值电压减小，那么输出电压Vp的增加量会更大。所以，实际中都要对输出电压进行稳压调节，以得到高精度的输出电压。以下是几种代表性的稳压电路。

图2A是一种传统方法对输出高压进行稳压调节的电路的示意图。其原理是在输出端串联的电容C1、C2中间的节点对电压采样得到Vs，并与Vref在比较器COMP中比较。当电荷泵输出电压高于预定值，即Vs>Vref时，比较器COMP输出高电平信号来打开NMOS管M1，以泄放输出端的电荷；同理，当电荷泵输出电压低于预期值时，即Vs<Vref时，比较器COMP输出低电平信号来关断NMOS管M1，以阻止输出端电荷的泄放，从而最终保持输出端上电压的稳定性。

图2B是公开号为CN1591115的专利电路示意图。电荷泵电路16的监测输出电压Vs反馈到稳压电路10。基准电压比较器14通过比较检测输出电压Vs和基准电压Vref来控制晶体管Tr的导通和关断，这样就可以调整电池电压Vbat并作为输入电压Vin提供给电荷泵电路，从而得到稳定的输出电压。

图2C是公开号为CN1477773的专利电路示意图。在时钟产生模块和耦合电容之间连接着一个耦合电容控制器，其控制信号来自比较器的输出端，该耦合电容控制器等效于一个阻值随比较器输出电压变化而变化的可变电阻。其阻值用来控制耦合电容控制器输出的时钟信号对电荷泵电路中耦合电容的充放电速度，从而达到了稳定输出电压的效果。

以上三种稳压电路的共同点是需要一个基准电压产生电路，并要求基准电压值不会因为电源电压波动、工艺波动、温度改变等因素改变，这就大大加大了电路设计的复杂度。此外，引入基准电压产生电路和比较器等电路增大了电路的面积和功耗。

发明内容

本发明的目的是提出涉及到非挥发性存储器中的一种高压电荷泵电路。是一种能够抑制电压波动、工艺偏差和温度变化影响的高稳定性、高可靠性的电荷泵电路。该电荷泵电路的稳压电路由钳位电路、泄流电路和泄流控制电路组成，其中的泄流控制电路可以抑制电源电压变化、工艺的波动和温度的变化引起的输出电压变化。该电荷泵不使用基准电压源电路，设计难度小，易于实现，具有稳定性好、可靠性高的优点。

所述高压电荷泵电路含有：

电荷泵核心电路，由两路Dickson电荷泵组成，减小了输出端电压的纹波；PMOS管的衬底电平可以动态选择漏源间较高的电位，避免了衬底的耐高压问题；

时钟产生电路，产生两相不交叠时钟信号CLKa、CLKb；

稳压电路，由钳位电路、泄流电路和泄流控制电路组成，可以抑制电源电压变化、工艺的波动和温度的变化引起的输出电压变化。

所述泄流控制电路，可以感应MOS管阈值电压的变化，和感应输出电压的变化，从而输出相应的控制信号；

所述钳位电路，其导通能力随电荷泵核心电路输出电压变化而同向变化；

所述泄流电路，有两个NMOS管同时监测输出电压的变化。其中一个NMOS管与地相连，其栅极与泄流控制电路的输出相连接；另一个NMOS管其栅极直接与钳位电路相连，其跨导随着NMOS管1导通电阻的减小而增大；

本发明的有益效果是由实验证明，本发明是一种能够抑制电压波动、工艺偏差和温度变化影响的高稳定性、高可靠性的电荷泵电路。该电荷泵电路的稳压电路由钳位电路、泄流电路和泄流控制电路组成，其中的泄流控制电路可以抑制电源电压变化、工艺的波动和温度的变化引起的输出电压变化。该电荷泵不使用基准电压源电路，设计难度小，易于实现，具有稳定性好、可靠性高的优点。本发明能够抑制电压波动、工艺偏差和温度变化的影响，产生稳定的输出高压，达到了预期的目的。

附图说明

图1A为Dickson电荷泵的基本结构。

图1B为两相不交叠时钟信号CLKa和CLKb的时序图。

图1C为N级Dickson电荷泵示意图。

图2A为传统方法对输出高压进行稳压调节的电路的示意图。

图2B为公开号为CN1591115的专利中的电路示意图。

图2C为公开号为CN1477773的专利中的电路示意图。

图3为本发明的系统框图。

图中：101，电荷泵核心电路；102，时钟产生电路；103，稳压电路；104，钳位电路；105，泄流控制电路；106，泄流电路；

图4A为图3中电荷泵核心电路原理图。

图4B为图3中钳位电路和泄流电路的原理图。

图4C为图3中泄流控制电路的原理图。

具体实施方式

本发明提出涉及到非挥发性存储器中的一种高压电荷泵电路。后面结合附图和实施例对本发明予以具体说明。在图3所示的本发明的系统框图中，时钟产生电路102连接到电荷泵核心电路101的输入端，电荷泵核心电路101的输出连接稳压电路103的钳位电路104和泄流电路106，在钳位电路104和泄流电路106之间连接泄流控制电路105。

时钟产生电路102产生两相不交叠时钟信号CLKa和CLKb(如图4A所示)；电源电压V_DD被电荷泵核心电路101升到高压Vp；稳压电路103中的钳位电路104、泄流控制电路105和泄流电路106被用来调节输出电压Vp，使Vp能被限制在规定的范围内。即若电源电压V_DD增大，电荷泵核心电路101的输出电压Vp增大，钳位电路104中的Vs随之增大，Vs的增大经过泄流控制电路105后引起控制电压Vctl的增大，最终导致泄流电路106中的电流增大，使得Vp下降到最高允许电压以下；同理，若V_DD减小，稳压电路103也能使得Vp上升到最低允许电压以上。在工艺波动或者温度改变时，稳压电路的反馈机制都能将Vp稳定在允许电压范围内。

上述电荷泵核心电路101的原理图如图4A所示，其抬高电压的原理和图1C中电荷泵相同。该电荷泵由两条支路a和b组成。当a支路向输出端Vp充电时，b支路中Ub7的二极管关断；反之亦然。通过这种方式，在一个时钟周期内a、b支路交替地向输出端补充电荷，减小了输出端的纹波。a、b支路各由1个连接成二极管的原生NMOS管和7个连接成二极管的PMOS管(图中Ua1～Ua7、Ub1～Ub7)组成。其第一级采用低阈值电压、耐高压的原生NMOS管，从而保证了第一级有较高的电压增益和安全性；第二级至输出端均为连接二极管的PMOS管，这些衬底电平可以动态选择漏源间较高的电位，避免了衬底的耐高压问题。(PMOS管为P型MOS管；NMOS管为N型MOS管)

图4B是本发明的钳位电路和泄流电路的原理图。钳位电路104由7个尺寸完全相同的连接成二极管的PMOS组成。一方面，当输出电压上升时，PMOS管的源栅电压Vsg增大，导通电流增大，从而降低了输出电压，实现了钳位电路的稳压作用；另一方面，如果电荷泵核心电路中PMOS管的阈值电压升高，钳位电路的阈值电压也升高，从而使得钳位电路的导通能力随着输出电压的降低而降低。泄流电路由4个PMOS管和两个NMOS管(Mn1、Mn2)串联构成。Mn2的栅极直接与Vs相连，Vs经过泄流电路控制电路后产生Vctl，Vctl与Mn1的栅极相连。当Vctl增大时，Mn1的导通能力增加，Mn1的导通电阻减小。由于Mn1相当于Mn2的源极负反馈电阻，因而Mn2的跨导也增加。同时，由Vp增加引起的Vs的增加使得Mn2的栅极电压增加，也增加了Mn2的导通能力。Mn2导通能力的增加使得Mn1的分压增加，Mn1的漏源电压增加，由于NMOS管的沟道长度调制效应，这也会有助于Mn1导通电流的增大。综上所述，当Vs和Vctl同时增大时，Mn1和Mn2相互作用使得泄流电路的导通能力增强，从而起到了稳定输出电压的能力。

图4C是本发明的泄流控制电路的原理图，该电路由A支路和B支路构成。A支路由V_DD到GND的5个连接成二极管的NMOS串联而成，其主要作用是监控NMOS管阈值电压的变化。NMOS管电流为I＝g_m(Vgs-Vthn)，其中 $g_m=\sqrt{2I{\mathrm{\&mu;}}_n{C}_{\mathrm{ox}}(W/L)}$ 表示NMOS管的跨导，V_gs为NMOS管的栅源电压，V_thn为NMOS管的阈值电压，μ_n为NMOS中载流子的迁移率，C_ox为单位面积的栅氧化层电容，W/L为NMOS管的栅极宽长比。A支路中Mctla2～Mctla5的宽长比大于Mctla1的宽长比，这使得前者的跨导大于后者。考虑到工艺波动或者温度变化的影响，若NMOS管的阈值电压增大，先假设A支路中所有NMOS管的Vgs保持不变，由于Mct la1的跨导小，其电流改变量也小，故为了维持Mctla2～Mctla5与Mctla1的匹配，必须减小Mctla1的栅源电压。也就是说，V1点的电压随着NMOS管阈值电压的升高而降低，经过B支路NMOS管Mctlb1的反相放大后，Mctlb1的漏极电压Vctl就随着NMOS管阈值电压的升高而升高。对于B支路，Vs经三个连接成二极管的NMOS管连接到Vctl，由于Mctlb1的宽长比较小，即Mctlb1的输出阻抗较大，那么Vctl就会随着Vs的增大而增大。若PMOS管阈值电压增大，则输出电压Vp减小，在钳位电路上的采样点电压Vs也减小，Vctl随之减小，故泄流控制电路的输出电压Vctl也随着PMOS管阈值电压的增大而减小。

以上的实施例分析，说明了该设计的原理及实现方法。本发明具有一般性，并不局限于该实施例，能广泛的应用于一般的电荷泵电路设计。

Claims (1)

1.一种高压电荷泵电路，其特征在于，高压电荷泵电路包含的时钟产生电路(102)连接到电荷泵核心电路(101)的输入端，电荷泵核心电路(101)的输出电压Vp连接稳压电路(103)的钳位电路(104)和泄流电路(106)，在钳位电路(104)和泄流电路(106)之间连接泄流控制电路(105)；

所述电荷泵核心电路，主要由两路Dickson电荷泵支路a和b组成，在一个时钟周期内a、b支路交替地向输出端补充电荷，减小了输出端的纹波；其中a、b支路各为1个连接成二极管的原生NMOS管和分别连接成二极管的7个PMOS管串联，a支路的连接成二极管的7个PMOS管由Ua1～Ua7表示；b支路的连接成二极管的7个PMOS管由Ub1～Ub7表示；并且在各支路的连接成二极管的7个PMOS管的输入端通过耦合电容与时钟产生电路的CLKa端或CLKb端连接；具体是在a支路的PMOS管Ua1～Ua7的输入端通过耦合电容Ca1、耦合电容Ca3、耦合电容Ca5和耦合电容Ca7与时钟产生电路的CLKa端连接，通过耦合电容Ca2、耦合电容Ca4和耦合电容Ca6与时钟产生电路的CLKb端连接；同样在b支路的PMOS管Ub1～Ub7的输入端通过耦合电容Cb1电容、耦合电容Cb3、耦合电容Cb5和耦合电容Cb7与时钟产生电路的CLKb端连接，通过耦合电容Cb2、耦合电容Cb4和耦合电容Cb6与时钟产生电路的CLKa端连接；PMOS管Ua7和PMOS管Ub7的输出端一起连接输出电压Vp，而且通过一个电容接地；所述a、b支路的连接成二极管的原生NMOS管为采用低阈值电压、耐高压的NMOS管；从而保证了有较高的电压增益和安全性；所有连接成二极管的PMOS管的衬底电平，动态选择漏源间较高的电位，避免了衬底的耐高压问题；

所述时钟产生电路，产生两相非交叠时钟信号CLKa、CLKb；

所述泄流电路由在电压Vp与地之间依次串联的4个PMOS管、NMOS管Mn2和NMOS管Mn1构成，NMOS管Mn1的源极与地相连，NMOS管Mn1的栅极与电压Vctl相连，NMOS管Mn2的栅极直接与钳位电路的输出电压Vs相连；

所述钳位电路由7个尺寸完全相同的分别连接成二极管的PMOS管组成，所述7个尺寸完全相同的分别连接成二极管的PMOS管依次串联连接在电压Vp与地之间，其中在地与输出电压Vs之间连接有2个PMOS管，在输出电压Vs与电压Vp之间连接有5个PMOS管；

所述泄流控制电路由A支路和B支路构成；A支路由在地与电压VDD之间依次串联连接的5个分别连接成二极管的NMOS管Mctla1～Mctla5组成，B支路由在地与电压Vs之间依次串联连接的4个NMOS管Mctlb1～Mctlb4组成，其中，NMOS管Mctlb2～Mctlb4分别连接成二极管，在NMOS管Mctlb1的漏极输出电压Vctl，NMOS管Mctlb1的源极接地，NMOS管Mctlb1的栅极与NMOS管Mctla1的栅极和漏极连接在一起；其中A支路监控NMOS管阈值电压的变化，由于B支路中NMOS管Mctlb1的输出阻抗较大，则电压Vctl就会随着电压Vs的增大而增大以感应电荷泵输出电压Vp的变化，从而泄流控制电路输出电压Vctl作为相应的控制信号。

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