CN104811034B - 适合低电压操作的简单电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合低电压操作的简单电荷泵电路，其包含级联的若干个电荷泵子单元；每一级电荷泵子单元设有三个NMOS晶体管和一对两相时钟信号，包含：第一NMOS晶体管，作为传输开关，其漏极连接本级输入端，源极连接本级输出端；第二NMOS晶体管，其漏极和栅极相连接，并连接至本级输出端，源极连接第一NMOS晶体管的栅极；第三NMOS晶体管，其漏极和栅极接相连接，并连接至第一NMOS晶体管的栅极，源极连接本级输入端；第一相时钟信号，其通过第一电容连接本级输出端，第二相时钟信号，其通过第二电容连接第一NMOS晶体管的栅极。本发明以简单的结构提升作为传输开关的NMOS晶体管的栅极电压，降低衬底偏置效应的副作用，并简化电路板图设计。

Description

适合低电压操作的简单电荷泵电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及一种在EEPROM（Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器）或闪存芯片中用于产生高电压的电荷泵电路。

背景技术

随着手持设备及物联网的兴起，对集成电路小型化和节能设计的需求越来越迫切，对半导体集成电路的低供电电压设计提出了要求。由于EEPROM和闪存器件具有灵活的数据改写、掉电后所储存的数据内容不会丢失，并且可以长久保持的特性，它们在系统中的应用越来越广泛。

在CMOS EEPROM或闪存器件中，无论是基于浮栅技术，或是电荷陷阱技术，通常会需要一个高电压产生电路，提供编程和擦写操作所需要的高电压。这个高电压产生电路通常由电荷泵电路来完成。

图1展示了经典常规技术迪克森（Dickson）电荷泵的示意图。构建在P型衬底上的NMOS晶体管接成二极管结构，通过互补两相时钟和储能电容的阶梯提升，达到输出电压倍增的效果。这个电路很简单，但是因为NMOS晶体管的衬底通常接地，随着后面级数单元电压的提升，衬底偏置效应越来越明显，造成等效阈值电压的升高，从而降低甚至阻碍电荷泵中电压的传输。尽管也有把NMOS晶体管隔离于深N阱中，或改用PMOS晶体管的做法，但由于制造工艺的复杂度增加，及对寄生双极器件可能带来干扰的担心，这些做法并未得到广泛采纳。

图2是迪克森电荷泵及一些其它电荷泵结构常用的双相互补时钟的波形示意图。为了提高效率和减小瞬态噪声，通常对极性相反的两相时钟做时钟边沿的非交叠处理。

图3是对迪克森电荷泵的一种改进结构，通常称为CTS（电荷转移结构）。在CTS结构中，NMOS晶体管 M0作为主传输开关；NMOS 晶体管M3与M0并联，作为辅助传输开关。NMOS晶体管 M1和PMOS晶体管 M2组成的控制结构可以在需要M3打开时，把下一级的较高电压传输到M3的栅极，从而提升M3的传输效率。这个结构里因为有PMOS的存在，版图的布局要充分考虑隔离，以及寄生双极器件的影响。

图4是对迪克森电荷泵的另外一种改进结构，通常称为四相非交叠时钟结构。NMOS晶体管M0作为传输开关，NMOS晶体管M1跨接在M0的漏极和栅极之间，通过合理的四相时钟时序，可以在CLK1和CLK3为高电平，而CLK2为低电平的短暂时间内对提升电容Cb进行充电。在需要M0打开的时候，由于Cb预充电的作用，M0的栅极电位得到提升，可以比较充分地打开和导通。所述四相时钟的时序需要经过仔细调整，对工艺、电压等的偏差比较敏感，电路实现比较复杂，并且给电容Cb充电的时钟交叠区会占用整体的电荷转移时间，使M0的有效打开时间缩短。

图5是图4所示的电荷泵结构及一些其它类似原理电荷泵结构常用的四相非交叠时钟的波形示意图。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电荷泵实施方案的一些不足，提供一种适合低电压操作的简单电荷泵电路，以简单的结构提升作为传输开关的NMOS晶体管的栅极电压，降低衬底偏置效应的副作用，并简化电路板图设计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种适合低电压操作的简单电荷泵电路，其包含级联的若干个电荷泵子单元；每一级电荷泵子单元设有三个NMOS晶体管和一对两相时钟信号，包含：第一NMOS晶体管，作为传输开关，其漏极连接本级电荷泵子单元的输入端，源极连接本级电荷泵子单元的输出端；第二NMOS晶体管，其漏极和栅极相连接，并连接至本级电荷泵子单元的输出端，源极连接第一NMOS晶体管的栅极；第三NMOS晶体管，其漏极和栅极接相连接，并连接至第一NMOS晶体管的栅极，源极连接本级电荷泵子单元的输入端；第一相时钟信号，其通过第一电容连接本级电荷泵子单元的输出端，第二相时钟信号，其通过第二电容连接第一NMOS晶体管的栅极。

优选的，所述NMOS晶体管为低阈值晶体管或本征晶体管。

优选的，所述NMOS晶体管的P型衬底不通过深N阱隔离，且其P型衬底连接地电位。

优选的，所述第一相时钟信号和第二相时钟信号是互补的非交叠信号。

优选的，所述第二电容的电容值显著小于第一电容的电容值。

优选的，所述简单电荷泵电路中，前一级电荷泵子单元的输出端连接到后一级电荷泵子单元的输入端，并且相邻两级电荷泵子单元对应的时钟信号相位相反。

优选的，两个结构相同的简单电荷泵电路并联，且两个简单电荷泵电路中同一级电荷泵子单元的两相时钟信号的相位相反。

优选的，所述简单电荷泵电路用于非挥发性存储器集成电路中，提供该非挥发性存储器集成电路所需要的操作电压。

与现有技术相比，本发明提供了一种简单高效的电荷泵电路，其优点在于：只需简单的两相互补时钟和三个NMOS晶体管即可形成，NMOS晶体管不需要深N阱隔离，也没有使用PMOS晶体管，可以简化电路和版图结构，避免PMOS的存在所带来的寄生双极晶体管效应；由第二NMOS晶体管与第二电容构成栅极电位提升电路，可以有效改善第一NMOS晶体管的导通能力，从而提升简单电荷泵电路的效率，并使之适应低电压操作；在满足特定驱动能力的情况下，这种简单电荷泵电路也有利于版图面积的缩小和总体功耗的降低；另外，由第三NMOS晶体管构成钳位电路，可以降低第一NMOS晶体管在截止时的逆向电流，保证简单电荷泵电路的正常工作并提升效率。

附图说明

通过以下的详细描述及附图，可以对本发明及其优点有更全面的了解：

图1是现有的一种经典Dickson电荷泵电路的示意图；

图2是现有的电荷泵电路常用的双相互补非交叠时钟的波形示意图；

图3是现有的一种称为CTS的改进Dickson电荷泵电路；

图4是现有的一种四相非交叠时钟结构的改进Dickson电荷泵电路；

图5是诸如图4所示电荷泵电路的四相非交叠时钟波形示意图；

图6是本发明的简单电荷泵电路中的任意一级电荷泵子单元的示意图；

图7是本发明的简单电荷泵电路的示意图，其由若干个电荷泵子单元级联形成。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段，特征与效果易于理解，下面结合图6和图7做进一步说明。这些对实施例的描述和图示不应被理解为本发明的局限。对本发明实例特征的显而易见的改变及对其应用原理的延展也将在本发明的保护范围之内。

本发明提供的一种简单电荷泵电路，是对Dickson电荷泵电路的改进，能够为非挥发性存储器集成电路提供所需要的操作电压，如用于EEPROM或闪存芯片中，以低电压操作来产生编程和擦写所需的高电压。

本发明所提供的适合低电压操作的简单电荷泵电路，包含级联的若干个电荷泵子单元。如图6所示，为简单电荷泵电路中的任意一级电荷泵子单元的示意图；该电荷泵子单元设有三个NMOS晶体管和一对两相时钟信号，包含：第一NMOS晶体管M0，作为传输开关，其漏极连接本级电荷泵子单元的输入端，源极连接本级电荷泵子单元的输出端；第二NMOS晶体管M1，其漏极和栅极相连接，并连接至本级电荷泵子单元的输出端，源极连接第一NMOS晶体管M0的栅极；即该第二NMOS晶体管M1接成二极管方式，其跨接在第一NMOS晶体管M0的源极与栅极之间；第三NMOS晶体管M2，其漏极和栅极接相连接，并连接至第一NMOS晶体管M0的栅极，源极连接本级电荷泵子单元的输入端；第一相时钟信号CLK1，其通过第一电容Ccp连接本级电荷泵子单元的输出端，第二相时钟信号CLK2，其通过第二电容Cs连接第一NMOS晶体管M0的栅极。其中，所述的这对两相时钟信号CLK1和CLK2为互补的非交叠信号。

进一步，如图6所示的电荷泵子单元中，第一电容Ccp是本级电荷泵子单元的储能提升电容，其连接在第一相时钟信号CLK1与本级电荷泵子单元的输出端之间；而第二电容Cs是一个辅助栅极提升电容，其连接在第二相时钟信号CLK2与第一NMOS晶体管M0的栅极之间。并且，通常情况下第二电容Cs的电容值要显著低于第一电容Ccp的电容值；各电容的最优值可随着具体情况改变，而“显著低于”，可以是指所述的第二电容Cs的电容值为第一电容Ccp的电容值的5%～20%；例如，第二电容Cs的电容值与第一电容Ccp的电容值相差一个数量级，也是可以接受的合理范围。而跨接在第一NMOS晶体管M0的源极与栅极之间的第二NMOS晶体管M1，提供对第二电容Cs的充电通路。

当把如图6所示的各个电荷泵子单元首尾相接串联起来，即前级电荷泵子单元的输出端连接后级电荷泵子单元的输入端，并且相邻两级电荷泵子单元对应的时钟信号相位相反，就会形成完整的简单电荷泵电路，提供比较高电压的输出。输入端通常接芯片的供电电压Vdd。此外，在一些应用中，为了在特定时钟频率下增强驱动能力并尽量降低输出信号的纹波，也有采取两个完全相同结构的简单电荷泵电路并联使用的实施例，如图7所示；其中，每个简单电荷泵电路都包含N个级联的电荷泵子单元，且两个简单电荷泵电路中同一级电荷泵子单元的两相互补时钟信号的相位相反（即第一相时钟信号CLK1和第二相时钟信号CLK2的相位相反）。本发明所提供的电荷泵子单元，也可以应用到其他电荷泵电路的常规设计中，这里不再赘述。

因为所述的时钟相位CLK1与CLK2相反，当CLK1为高电平时，CLK2为低电平。此时，第一相时钟信号CLK1通过二极管接法的第二NMOS晶体管M1对第二电容Cs进行充电，第二电容Cs两端会呈现一个接近时钟信号幅值的电压差，并且第一NMOS晶体管M0的栅极端电位高于第二相时钟信号CLK2端的电位，因此第一NMOS晶体管M0处于关断状态。而第三NMOS晶体管M2也接成二极管方式，其跨接在第一NMOS晶体管M0的源极与漏极之间，因此第三NMOS晶体管M2的作用是钳位第一NMOS晶体管M0的栅极与漏极之间的电压，抑制或减小第一NMOS晶体管M0在关断状态时的反向漏电流，避免效率降低。

当两个时钟相位反转，即CLK1为低电平，而CLK2为高电平时，第二电容Cs与第一NMOS晶体管M0的栅极连接的一端的电位叠加了第二相时钟信号CLK2的高电平，其电位会显著高于第一NMOS晶体管M0的源极端电位（也就是本级电荷泵子单元的输出端电位），从而有助于第一NMOS晶体管M0的充分开启和电荷的传输转移，并抵消第一NMOS晶体管的衬底偏置效应。另外，由于第三NMOS晶体管M2也接成二极管方式，此时其因为正向偏置而开启，第二电容Cs中的电荷会通过第三NMOS晶体管M2泄放到第一NMOS晶体管M0的漏端（也就是本级电荷泵子单元的输入端），进而通过作为传输开关的第一NMOS晶体管M0传输到第一NMOS晶体管M0的源极端（也就是本级电荷泵子单元的输出端），电荷基本得到充分利用，有助于电荷泵电路的效率提升。

在以上实施例中提到的NMOS晶体管M0、M1和M2都不需要深N阱隔离，方便工艺选择。为了更高的效率，它们的阈值电压会被调整的比较低（低阈值晶体管），或者做成本征晶体管。它们的衬底调制特征在工艺上也会被尽量压制，以利于效率提升。例如，可以将NMOS晶体管M0、M1和M2的P型衬底接地电位。

综上所述，本发明中由第二NMOS晶体管与第二电容构成栅极电位提升电路，可以有效改善第一NMOS晶体管的导通能力，从而提升简单电荷泵电路的效率，并使之适应低电压操作；在满足特定驱动能力的情况下，这种简单电荷泵电路也有利于版图面积的缩小和总体功耗的降低。另外，本发明中由第三NMOS晶体管构成钳位电路，可以降低第一NMOS晶体管在截止时的逆向电流，保证简单电荷泵电路的正常工作并提升效率。

因此，本发明提供了一种简单高效的电荷泵电路，只需简单的两相互补时钟和三个NMOS晶体管即可形成，NMOS晶体管不需要深N阱隔离，也没有使用PMOS晶体管，可以简化电路和版图结构，避免PMOS的存在所带来的寄生双极晶体管效应；并且作为传输开关的NMOS晶体管栅极的电压提升和辅助栅极提升电容电荷的利用，都极大提高了本发明简单电荷泵电路的效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，包含级联的若干个电荷泵子单元；每一级电荷泵子单元设有三个NMOS晶体管和一对两相时钟信号，包含：

第一NMOS晶体管，作为传输开关，其漏极连接本级电荷泵子单元的输入端，源极连接本级电荷泵子单元的输出端；

第二NMOS晶体管，其漏极和栅极相连接，并连接至本级电荷泵子单元的输出端，源极连接第一NMOS晶体管的栅极；

第三NMOS晶体管，其漏极和栅极接相连接，并连接至第一NMOS晶体管的栅极，源极连接本级电荷泵子单元的输入端；

第一相时钟信号，其通过第一电容连接本级电荷泵子单元的输出端；

第二相时钟信号，其通过第二电容连接第一NMOS晶体管的栅极；所述第一相时钟信号和第二相时钟信号是互补的非交叠信号。

2.如权利要求1所述的适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，所述NMOS晶体管为低阈值晶体管或本征晶体管。

3.如权利要求1所述的适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，所述NMOS晶体管的P型衬底不通过深N阱隔离，且其P型衬底连接地电位。

4.如权利要求1所述的适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，所述第二电容的电容值小于第一电容的电容值。

5.如权利要求1所述的适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，所述简单电荷泵电路中，前一级电荷泵子单元的输出端连接到后一级电荷泵子单元的输入端，并且相邻两级电荷泵子单元对应的时钟信号相位相反。

6.如权利要求5所述的适合低电压操作的简单电荷泵电路，其特征在于，所述简单电荷泵电路用于非挥发性存储器集成电路中，提供该非挥发性存储器集成电路所需要的操作电压。

7.一种组合式电荷泵电路，其特征在于，由如权利要求1所述的两个结构相同的简单电荷泵电路并联构成，且两个简单电荷泵电路中同一级电荷泵子单元的两相时钟信号的相位相反。

8.如权利要求7所述的组合式电荷泵电路，其特征在于，所述简单电荷泵电路用于非挥发性存储器集成电路中，提供该非挥发性存储器集成电路所需要的操作电压。