CN102280998A - 基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路，包括振荡器电路、电荷泵核心电路和电压调制电路。本发明由以下部分组成：1.利用高压NMOS和高压PMOS组合做传输管、并且PMOS管配有衬底电位调节器的Dickson结构电荷泵核心电路。2.利用低压管设计的振荡器电路。3.采用高压管做隔离、低压管做控制的高低电压调制电路。该电路设计抗总剂量能力达到150KRad(Si)以上，在抗辐照加固的同时，对电荷泵本身的性能影响很小。该设计解决了由辐照所产生的总剂量效应(TID)造成MOS管阈值电压变化所引起的电荷泵性能变化以及可能存在的失效影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
EEPROM作为非挥发存储器设备，大量用于航空与航天领域。在电路中为存储单元提供擦写高压的电荷泵电路是极其重要的模块，关系到电路擦写功能的实现。但是由于空间应用环境的复杂性，以及高压管自身抗辐照能力弱等特点，电荷泵电路常常会因辐照的影响而出现严重漏电而升压不足，或使能信号误操作而失效。如何满足空间应用的需要，提高电荷泵的抗辐照性能，是近几年来研究的热点。
Dickson结构是较为常见的电荷泵模型，它常常使用二极管连接的NMOS管作为电路的开关，如图1所示的即传统的Dickson结构。
在此电路中，NMOS管的漏极和栅极相连，衬底接地，CLK、CLKN为双向非交叠时钟信号。当CLK为低电平时，M0管工作在饱和区，由漏极向源极相连接的电容C0充电；当CLK为高电平时，A点电位被抬高，M0管关断，此时CLKN为低电平，B点电位较低，则M1导通，并向其源极相连接的电容C1充电。以此类推，在各级充放电电容的抬升作用下，电荷就通过NMOS管向后级不断传输，并在各节点的电容上不断积累，节点电压也不断升高。于是，N级电荷泵的输出电压HV为：
HV＝(N+1)×(VDD-VTH)
其中VDD表示电源电压，VTH为NMOS管的阈值电压。
而实际输出电压值比理论值要小很多，并且由于体效应，NMOS管的阈值电压VTH是源衬电压的函数，级数越高，源衬电压就逐级增加，阈值电压也越大，所以这种电荷泵的效率较低，负载能力较弱，且在低电源电压情况下可能不能正常工作。
经国内外研究，当MOS管的栅氧厚度较大时，在SI/SIO2界面有明显的正电荷堆积，总剂量效应对MOS管阈值电压的影响较大：通常高压NMOS管阈值电压降低，高压PMOS管阈值电压更负。当MOS管栅氧厚度低于60埃时，在SI/SIO2界面处没有明显的正电荷堆积，总剂量效果应对MOS管阈值电压的影响基本可以忽略。所以推荐使用先进的工艺技术，尽量采用薄栅氧的工艺来加工芯片。
在通常的工艺中，普通高压MOS管栅氧较厚，受辐照影响大，低压MOS管栅氧较薄，受辐照影响小。在EEPROM电路中，进行页写操作时，电荷泵电路需驱动较大的负载电容，若用高压NMOS管做传输管，虽然辐照后由于阈值电压的降低而满足要求，但在辐照前却驱动能力不足；若用高压自然管ZMOS管做传输管，辐照前虽能满足要求，但受辐照后电路会因严重漏电而失效；若用PMOS管做传输管，其衬底电位的设定又存在问题，且辐照后性能变差。显然普通的Dickson结构不能满足电路辐照前后的设计要求。
发明内容
本发明目的在于解决上述问题，在现有的Dickson结构基础上，研究了辐照对单管及Dickson结构电荷泵的影响，提出了一种新的具有抗辐照能力的电荷泵电路结构。
按照本发明提供的技术方案，所述基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路包括：振荡器电路、电荷泵核心电路和电压调制电路，所述振荡器电路由三级反向器串联的环路及驱动控制部分组成，通过外部输入信号FCOT控制环路的打开与关断、通过外部输入信号EN控制振荡器电路的起振与关闭，振荡器电路输出CLK、CLKN为双向非交叠时钟信号，接电荷泵核心电路，为其提供升压用的时钟信号，振荡器电路的输出信号ENN为EN的反向信号，用来控制电压调制电路；所述电荷泵核心电路包括由高压NMOS管和高压PMOS管串联组成的传输电路、预充电支路及充放电电容，电荷泵核心电路中用衬底电位跟随器保证高压PMOS传输管的衬底电位在工作时始终处于高电位，每一个传输节点都有预充电支路对各传输节点进行预充电，电荷泵核心电路的输入端CLK、CLKN与振荡器相连，输出信号HV与电压调制电路的输入端相连，同时信号HV也是抗辐照电荷泵电路的一路输出信号；所述电压调制电路利用高压管做隔离、低压管做控制，实现低压控制高压转化，电压调制电路的输入信号ENN通过电压调制实现对信号HV的控制，电压调制电路的电压输出HV2为抗辐照电荷泵电路的另一路输出信号。
在电压调制电路中，采用两个高压NMOS管将低压控制信号与高压信号进行分离，采用低压管做使能信号控制管。
在电荷泵核心电路中，预充电支路采用厚栅氧的高压NMOS管与薄栅氧的低压NMOS串联，一方面为传输节点预充电，另一方面防止单个高压NMOS管辐照后产生的漏电以及单个低压NMOS管耐压不足。
本发明的设计特点有：
1.根据不同器件受辐照影响前后的性能差异，把栅氧厚度不同的高低压管组合使用，设计出达到抗辐照要求的电荷泵电路；在电荷泵的核心电路中，采用高压NMOS管和高压PMOS管组合串联做传输管，并用一个衬底电位跟随器保证PMOS管的衬底电位在工作时始终处于高电位，每一个传输节点都有预充电支路对各传输节点进行预充电，提高电荷泵工作效率；在电荷泵的电压调制电路中，利用高压管做隔离、低压管做控制，实现低压控制高压转化的目的。
2.在电荷泵核心电路中，预充电支路采用厚栅氧的高压NMOS管与薄栅氧的低压NMOS串联的方法，一方面即为传输节点预充电，另一方面也可有效防止单个高压NMOS管辐照后可能产生的漏电以及单个低压NMOS管耐压不足的问题。
3.在电压调制电路中，利用负反馈电路结构实现高低压转换，采用两个高压NMOS管将低压控制信号与高压信号进行分离，采用低压管做使能信号控制管，可有效避免由于辐照后高压NMOS管阀值电压变低所产生的误操作，达到低压控制高压、在使能信号控制下电荷泵电路输出电压在电源电压和输出高压之间转换的目的。
本发明的优点是：电荷泵核心电路设计为14级传输结构，其中前4级为NMOS管传输，后10级为PMOS管传输，减小辐照造成MOS管阈值电压的变化所带来的问题，使电路性能稳定；采用衬底电位跟随器结构，保证PMOS管衬底电位始终处于源漏最高值；对各传输节点进行预充电，提高电路的工作效率；电压调制电路中，用栅极接电源的高压NMOS管将高压管与低压管进行隔离，从而实现低压控制信号与高压传输信号的隔离控制操作，避免辐照后误操作的出现。
附图说明
图1传统Dickson电荷泵电路结构图。
图2本发明电荷泵电路结构框图。
图3振荡器OSC电路图。
图4电荷泵核心电路pumpcell电路图。
图5预充电支路电路图。
图6PMOS衬底电位跟随器电路图。
图7电压调制电路v_adjust电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明包括振荡器电路1、电荷泵核心电路2和电压调制电路3，各电路根据不同器件受辐照影响前后的性能差异，把栅氧厚度不同的高低压管组合使用，设计出达到抗辐照要求的电荷泵。电荷泵使能信号FCOT、EN控制振荡器电路的开启与关断，振荡器电路为电荷泵核心电路2提供两个反向非交叠时钟信号CLK、CLKN，振荡器另一输出ENN为使能信号EN的反向输出信号，控制电压调制电路3的高低压转换，HV为电荷泵核心电路2的输出信号，HV2为电压调制电路3的输出信号。同时，HV、HV2也是整体电荷泵电路的输出信号。
所述振荡器电路osc由三级反向器串联的环路及驱动控制部分组成，通过外部输入信号FCOT控制环路的打开与关断、通过外部输入信号EN控制振荡器电路osc的起振与关闭，振荡器电路osc输出CLK、CLKN为双向非交叠时钟信号，接入电荷泵核心电路pumpcell，为其提供升压用的时钟信号，振荡器电路osc的输出信号ENN为输入信号EN的反向输出，用来控制电压调制电路；所述电荷泵核心电路pumpcell包括由高压NMOS管和高压PMOS管串联组成的传输电路、预充电支路及充放电电容，电荷泵核心电路pumpcell中用衬底电位跟随器保证高压PMOS传输管的衬底电位在工作时始终处于高电位，每一个传输节点都有预充电支路对各传输节点进行预充电，提高电荷泵工作效率，电荷泵核心电路pumpcell的输入端CLK、CLKN与振荡器相连，输出信号HV与电压调制电路v_adjust的输入端相连，HV也是整体抗辐照电荷泵电路的一路输出信号；所述电压调制电路v_adjust利用高压管做隔离、低压管做控制，实现低压控制高压转化的目的，电压调制电路v_adjust的输入信号为ENN，ENN信号通过电压调制实现对HV信号的控制，HV2为电压调制电路的电压输出信号，同时也是整体抗辐照电荷泵电路的另一路输出信号。
本发明对Dickson结构的电荷泵改进设计方案如下。
(1)针对辐照对高压MOS传输管阈值电压的影响所带来的问题，进行改进的方法是：电荷泵核心电路设计为14级传输结构，其中前4级为高压NMOS管传输，后10级为高压PMOS管传输。辐照后高压NMOS管阈值电压变低，高压PMOS管阈值电压变的更负，采用两种管子前后串联组合的方法，可以在一定程度上消除辐照对高压MOS管阈值电压偏移的影响所带来的问题，使电路性能稳定。
(2)针对Dickson结构中PMOS管做传输管衬底电位无法设定的问题，进行设计的方法是：采用两个PMOS管组成衬底电位跟随器，保证PMOS管衬底电位始终处于源漏两端最高值。
(3)为提高电路工作效率，通过一个低压NMOS管和高压NMOS管串联的支路，把传输节点与电源电压相连，在电荷泵电路工作前对各传输节点进行预充电。
(4)针对电压调制电路中由于高压NMOS管受辐照后阈值电压变低可能带来的误操作、使电压调制失效的问题，提出的改进方案是：在高低压转换处，用低压管做信号控制管，PMOS管做高压传输管，低压NMOS管与高压PMOS管之间通过栅极接电源电压的高压NMOS管进行隔离，从而实现低压控制信号与高压传输信号的隔离控制操作，避免辐照后误操作的出现。
本发明所述的电荷泵结构在抗辐照加固的同时没有影响到电路本身的性能。
所述振荡器电路结构如图3所示：振荡器电路由三级反向器串联组成的环路以及驱动控制电路组成，FCOT控制环路的打开与关断、EN控制振荡器电路的起振与关闭，输出为反向非交叠时钟，同时受EN信号控制，当振荡器不工作时，两个输出信号全为低电平，从而避免充放电电容两端出现反向电荷积累，影响电荷泵效率。整个振荡器电路由低压MOS管组成，由于低压MOS管栅氧厚度小，受辐照后电路性能变化小。
在电荷泵核心电路pumpcell中，预充电支路采用厚栅氧的高压NMOS管与薄栅氧的低压NMOS串联的方法，一方面即为传输节点预充电，另一方面也可有效防止单个高压NMOS管辐照后可能产生的漏电以及单个低压NMOS管耐压不足的问题。如图4所示，电荷泵核心电路pumpcell采用14级传输结构，前4级采用高压NMOS管做传输管，后10级采用高压PMOS管做传输管，并且PMOS管源端、漏端和衬底与一个衬底电位跟随器三端相连(电路结构如图5所示)，保证其衬底电位始终处于高电位。每一个传输节点都通过一个预充电支路连接到电源电压，在振荡器工作前对各节点进行预充电，提高电荷泵工作效率。由于受辐照后，高压NMOS的阈值电压减小，高压PMOS管的阈值电压绝对值增大，所以本电路结构在一定程度上可以减小辐照作用的影响。
预充电支路如图5所示，采用高压NMOS管MN0和低压NMOS管N0厚薄栅氧管串联的方法：高压NMOS管MN0的源端接传输节点，而漏端接低压NMOS管N0的源端；低压NMOS管N0的漏端接电源电压；两个管子的栅端都接电源电压。这样一方面即为传输节点在工作前提供较高的节点电压，提高电荷泵效率，另一方面也可有效防止单个高压NMOS辐照后可能产生漏电导致高压无法生成的问题。
PMOS管衬底电位跟随器如图6所示：包含两个高压PMOS管MP1和MP2，高压PMOS管MP1的衬底、漏端与高压PMOS管MP2的衬底、漏端接在一起，为C点；高压PMOS管MP1的源端与高压PMOS管MP2的栅端接在一起为A点；高压PMOS管MP1的栅端与高压PMOS管MP2源端接在一起为B点。当A点为高电平，B点为低电平时，MP1管导通，MP2管关断，C点电位与A相同，处于高电平；当A点为低电平，B点为高电平时，MP2管导通，MP1管关断，C点电位与B相同，处于高电平，即电路保证C点电位始终处于A与B两点的最高位。在实际应用中，把C点接PMOS管的衬底，A和B两点接PMOS管的源端和漏端，则可保证PMOS管衬底电位始终处于源漏端最高位。
在电压调制电路v_adjust中，采用两个高压NMOS管将低压控制信号与高压信号进行分离，采用低压管做使能信号控制管，可有效避免由于辐照后高压NMOS管阀值电压变低所产生的误操作，达到低压控制高压、在使能信号控制下电荷泵电路输出电压在电源电压和输出高压之间转换的目的。如图7所示，电压调制电路v_adjust利用一个二极管D1的反向击穿特性进行稳压，达到输出稳定高压的目的。升压过程中，当ENN为高电平时，连线b线压为低电平，连线a线压为高电平，高压PMOS管MP3和高压NMOS管MN3关闭，由于没有放电通路，连线HV线压被逐步抬升，直到达到设计高压并保持高电位；当ENN为低电平时，b为高电平，a为低电平，高压PMOS管MP3和高压NMOS管MN3导通放电，HV又被拉低到电源电压。
在电路中，若低压NMOS管N1用厚栅氧的高压NMOS管替换，则受辐照后其阈值电压下降，可能ENN一个干扰信号就会把N1管导通，造成误操作，使输出高压变化，影响电路擦写操作。所以在本发明中，N1管用薄栅氧的低压NMOS管，受辐照影响较小，同时用高压NMOS管MN1和MN2将低压NMOS管N1与高压信号进行隔离：高压NMOS管MN1的漏端接高压PMOS管MP1漏端，其源端接低压NMOS管N1栅端；高压NMOS管MN2的漏端接高压PMOS管MP2漏端，其源端接低压NMOS管N1漏端；高压NMOS管MN1和MN2的栅端都接电源电压。这样即保证N1管的栅和漏不被高压击穿的同时，又不影响使能信号ENN对输出电压信号HV在电源电压和高压之间转换的控制。从而实现高低压隔离、辐照环境下低压控制高压的目的。
Claims (3)
1.基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路，其特征在于包括：振荡器电路、电荷泵核心电路和电压调制电路，所述振荡器电路由三级反向器串联的环路及驱动控制部分组成，通过外部输入信号FCOT控制环路的打开与关断、通过外部输入信号EN控制振荡器电路的起振与关闭，振荡器电路输出CLK、CLKN为双向非交叠时钟信号，接电荷泵核心电路，为其提供升压用的时钟信号，振荡器电路的输出信号ENN为EN的反向信号，用来控制电压调制电路；所述电荷泵核心电路包括由高压NMOS管和高压PMOS管串联组成的传输电路、预充电支路及充放电电容，电荷泵核心电路中用衬底电位跟随器保证高压PMOS传输管的衬底电位在工作时始终处于高电位，每一个传输节点都有预充电支路对各传输节点进行预充电，电荷泵核心电路的输入端CLK、CLKN与振荡器相连，输出信号HV与电压调制电路的输入端相连，同时信号HV也是抗辐照电荷泵电路的一路输出信号；所述电压调制电路利用高压管做隔离、低压管做控制，实现低压控制高压转化，电压调制电路的输入信号ENN通过电压调制实现对信号HV的控制，电压调制电路的电压输出HV2为抗辐照电荷泵电路的另一路输出信号。
2.如权利要求1所述基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路，其特征是：在电压调制电路中，采用两个高压NMOS管将低压控制信号与高压信号进行分离，采用低压管做使能信号控制管。
3.如权利要求1所述基于Dickson结构的抗辐照电荷泵电路，其特征是：在电荷泵核心电路中，预充电支路采用厚栅氧的高压NMOS管与薄栅氧的低压NMOS串联，一方面为传输节点预充电，另一方面防止单个高压NMOS管辐照后产生的漏电以及单个低压NMOS管耐压不足。
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