CN1729610A - 高电压纹波减少和基材保护 - Google Patents

Abstract

在一种非易失性存储器中，电荷泵用于提供具有浮栅结构的存储器单元进行编程所需的高电压。电荷泵具有一系列串联的电压倍增器级以放大(boost)电压。所述电荷泵须快速地将一负荷充电到一高电压，并接着维持一具有高度稳定性的电压。提供用于实现此等两个目标的技术。一方面，一电荷泵具有两个操作状态，一是快速充电一负荷，且第二是以高度稳定性维持一充电负荷上的电压。所述状态通过将电流输出从充电期间的一高电流改变到一低电流来维持电压而实现。这通过改变个别电压倍增器级中所使用的电容来完成。另一方面，通过改变用于充电所述电压倍增器级的电容器的电压来产生两个不同的电流电平。

Description

高电压纹波减少和基材保护

技术领域

本发明一般涉及非易失性半导体存储器，诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和快闪EEPROM，且特定涉及用于为操作快闪EEPROM供应功率的电路和技术。

背景技术

能够非易失性存储电荷的固态存储器(尤其是EEPROM和快闪EEPROM)近来已成为各种移动和手持式装置(特别是信息设备和电子消费产品)中所选择的存储。与也为固态存储器的RAM(随机访问存储器)不一样，快闪存储器为非易失性的，即使在关闭电源之后其也保留经存储的数据。尽管快闪存储器成本较高，但其日益被用于大容量存储应用中。基于如硬驱动器和软盘的旋转磁性媒体的常规大容量存储器不适用于运动和手持式环境。这是因为磁盘驱动器往往是庞大的、易于发生机械故障并具有较高的等待时间和较高的功率需求。所述不希望的属性使基于磁盘的存储在大多数移动和便携式应用中是不切实际的。另一方面，因为快闪存储器(尤其是存储器卡的形式)具有小尺寸、低功率消耗、高速度和高可靠性的特征，所以其理想地适合移动和手持式环境。

EEPROM和电可编程只读存储器(EPROM)为可擦除且已将新的数据写入或“编程”到其存储器单元中的非易失性存储器。

快闪EEPROM允许将一组存储器单元一起擦除。所述装置含有以场效晶体管结构的存储器单元，其每一个具有浮动(非连接的)传导性栅极形式的存储元件，所述浮动(非连接的)传导性栅极定位于源极与漏极区域之间的半导体基材中的沟道区域之上。接着，将控制栅极提供于所述浮栅之上。所述晶体管的阈值电压特征由保留在浮栅上的电荷的数量来控制。即，对于所述浮栅上的一给定电荷电平而言，在所述晶体管为“开”之前，存在须施加到所述控制栅极的相应电压(阈值)以允许其源极与漏极区域之间的传导。

浮栅可保持电荷的一范围，且因此可将EPROM存储器单元编程到阈值电压窗口内的任何阈值电压电平。所述阀值电压窗口的尺寸由装置的最小和最大阈值电平限定，其反过来与可编程到所述浮栅上的电荷的范围一致。阈值窗口一般取决于存储器装置的特征、操作条件和历史。原则上，窗口内的每一清楚的、可分辨的阈值电压电平范围可用于指定所述单元的确定的存储器状态。NROM除其存储元件为一介电层而非一浮栅外，具有类似的结构。

清楚地，具有提供更大存储器存储密度的更高数目的存储器状态是有利的。此需要更高数目的可分辨阈值电压。因此，电源须在存储器单元的编程和读取期间提供精确的电压。如果所施加的电压中的波动超出相应的存储器状态的电压范围，那么所述波动可导致正被存储的数据的误差。

另外，为了改良性能，并联操作大量存储器单元。此也大大需要电源。例如，为了在控制栅极由相同的字线连接的一行存储器单元上执行编程操作，须尽快将字线电压从第一电压(例如，0V)提高到第二电压(例如，12-18V)。可将具有所有经连接的控制栅极的字线视为一电容器。因此，相当于将一电容器从一第一电压充电到一第二电压。

用于EPROM存储器电路中的编程电压电平高于通常用于存储器电路中的电压。其通常高于供应给所述电路的电压。所述较高的电压优选由一电荷泵产生于所述存储电路内，所述电荷泵在一实例中实质上将电荷转储到电容性字线中以将其充电到一较高电压。

图1示意性说明现有技术的典型的电荷泵。所述电荷泵通过以一系列电压倍增器级逐渐放大输入电压来接收电压V_in下的输入并提供更高电压V_out下的输出。将电压输出供应给一负荷，例如一EPROM存储器电路的字线。

图1也显示从所述负荷到所述电荷泵的反馈信号。常规现有技术泵响应指示负荷已达到一预定电压的信号而关闭。或者，一旦所述负荷达到预定电压，即使用一分流器来防止过充电。然而，此消耗更多的功率，且在低功率应用中是不希望的。

图2示意性说明现有技术的电压倍增器级。所述级响应显示为“CLK”的时钟信号而泵激电荷。当所述时钟信号处于时钟周期的较低部分(例如，0V)时，驱动器电路输出为低。此意味电容器C的下端处于0伏。一输入通过二极管D供应电压V_n-1，并将约V_n-1提供到C的上端(忽略二极管D上的电压降)。此将沉积一电荷Q于所述电容器上，其中Q＝CV_n-1。当时钟信号转换到一高状态时，驱动器电路的输出为高，例如V_CLK，且因此C的下端处于V_CLK。由于电荷Q守恒且C是恒定的，因此将迫使C的上端为(V_n-1+ΔV_CLK)。因此，所述电压倍增器级的输出电压为：V_n＝V_n-1+ΔV_CLK。驱动器将电容器的一侧驱动到V_CLK，然而，由于有寄生电容，所以另一侧将增加ΔV_CLK，其为小于V_CLK的一电压。

图3说明现有技术的典型电荷泵在维持一电压V_pp时的经调整的输出电压。当输出电压降低到V_pp的容限以下时，泵接通。所述泵将一高电流传送到负荷并迫使电压高于V_pp。接着，泵响应来自负荷的反馈信号而关断。接着，由于漏泄电流，所述负荷上的电压下降直到其达到一比V_pp低一固定量的预定电压。接着，所述电荷泵再次接通。此循环产生所示的电压纹波。如果所述纹波(由ΔV所示)很大，那么其可通过将浮栅编程到错误的电压电平或通过导致编程电平中的更大的变化而导致问题。先前调整电荷泵的输出的尝试包括修改时钟信号，参阅Chang等人的美国专利案第6,188,590 B1号。

因为电压纹波可导致EPROM存储器单元中的误差，且现有技术电荷泵一般给出具有显著纹波的输出，所以需要一种具有纹波减少能力的电荷泵。

发明内容

因此，本发明的一般目的为提供一种具有纹波减少能力的电荷泵。具体而言，本发明的一目标为提供一用于向快闪EEPROM的字线供应电力的电荷泵，使得可快速地将所述字线充电到一所需的电平并接着可将其维持在那一具有高度稳定性的电平上。

具体而言，通过一具有自适应电压倍增器级的自适应电荷泵来实现纹波减少。所述级能够在不同的模式中产生不同的电流输出。在第一模式中产生一高电流输出。其很快速地向所述负荷提供电荷且因此允许高速编程。在第二模式中产生一低电流。其向所述负荷提供足够的电荷以维持所需的电压而不过冲(overshoot)。

在一第一实施例中，通过修改用于所述电压倍增器级中的电容来控制电流。因为每一时钟周期泵激的电荷的数量与所述电容器尺寸成比例，所以减少电容即减少所泵激的电荷并因此减少电流。通过并联配置电容器并根据需要启用或禁用诸多个别的电容器来修改电容。在优选实施例中，使用两个电容器。在模式1期间启用两个电容器以产生一高电流。接着，在模式2中禁用一个电容器以减小电流。可由一检测负荷上的电压何时达到所需电平或进入预定电平的某一容限内的电压检测器来触发从模式1到模式2的改变。

在一第二实施例中，一电压倍增器级的电流输出由一自适应驱动器电路控制。所述电路以一高电压或一低电压向一电容器提供一电压。较高电压驱动更多的电荷，即其为模式1提供较高的电流。较低的电压在模式2中驱动较少的电荷。

在一第三实施例中，通过结合修改电压倍增器级的电容与使用自适应驱动器电路来控制电流输出。这需要一可也禁用所述电容器的自适应驱动器电路。

在另一实施例中，为了在模式2中提供一稳定的电流，将一箝位调整电路用于提供一与电源电压中的波动无关的驱动器输出。

在另一实施例中，提供一当被禁用时保护驱动器电路的驱动器保护电路。在禁用状态下，驱动器对通过各自电容器耦合到其输出线上的电压敏感。如果所述电压较大，那么其可导致损坏。驱动器保护电路对输出线处的电压起箝位作用以防止所述损坏。

从优选实施例的以下描述中将理解本发明的额外目的、特征和优点，其中所述描述应结合附图。

附图说明

图1说明现有技术的电荷泵。

图2说明现有技术的电压倍增器级。

图3说明现有技术的典型电荷泵的电压输出。

图4说明本发明的自适应电荷泵。

图5(a)说明本发明的自适应电荷泵的电压输出。

图5(b)说明本发明的自适应电荷泵的电流输出。

图6说明本发明的自适应电压倍增器级。

图7说明本发明的自适应驱动器电路。

图8(a)说明模式1中的本发明的自适应驱动器电路的电压输出。

图8(b)说明模式2中的本发明的自适应驱动器电路的电压输出。

图9说明本发明的可转换的自适应驱动器电路。

图10说明本发明的箝位调整电路。

图11说明本发明的驱动器保护电路。

具体实施方式

图4示意性说明本发明的自适应电荷泵400。所述电荷泵400具有n个自适应电压倍增器级410-430以将电压从输入电压V₀放大到输出电压V_n，一电压检测器460以检测负荷440上的电压，和一电流控制电路450，其从所述电压检测器接收电信号并响应配置自适应电压倍增器级。例如，当负荷440达到一预定电压电平或在一预定电压电平的某一容限内时，所述电压检测器460可发送一电信号。所述电流控制电路450接收此信号并如以下所描述修改所述电压倍增器级410-430，使得所述级产生较小的电流输出I_n。在达到所述预定电压之后减小电流输出减小了纹波效应。

图5(a)和5(b)分别说明所述电荷泵的负荷上的电压和电流输出。说明两种操作模式。模式1为渐进模式(ramp-up mode)，在此期间所述负荷处于一预定电压。此需要一较大电流I₁以尽可能快地将负荷充电到所需的电压。所述图显示一在时间t₀将一负荷(例如，一字线)从V_cc充电到V_pp的实例。模式2为调整模式，在此期间将电压保持得尽可能接近所需电压V_pp。即，使图5(a)中的ΔV尽可能小。这需要一较小电流I₂，因为每次打开泵时较大电流沉积大量的电荷。本发明的电荷泵可提供一高电流I₁或一低电流I₂，这取决于所述负荷是否已达到一预定电压。检测负荷处的电压，且当达到预定电压时，泵即从模式1切换到模式2。

图6示意性说明本发明的一第一实施例。此为具有经控制的电流输出的自适应电压倍增器级430。此级具有二极管670和数个并联连接的电容器C1-Cn，而不是图2所示的现有技术的单一电容器C。每一电容器C1-Cn具有一相应的驱动器电路610-630。响应来自电压检测器460的信号，可通过电流控制电路450来启用或禁用所述电容器。启用的电容器如图2的电容器C一样操作。禁用的电容器在电压倍增器级中不再有效。通过禁用电容器，可减少用于自适应电压倍增器级中的电容。根据等式Q＝CV，这减少了所存储的电荷。由于较少电荷被存储，在每一时钟周期较少电荷被从所述级泵激。结果为每单位时间泵激较少的电荷，即，较少的电流输出。

禁用电容器的驱动器不向其相应的电容器供应电流。然而，所述驱动器保持连接到电容器且所述电容器在输出线660处被连接到一起。可通过禁用电容器将电压从输出线660耦合到其驱动器电路。如果所耦合的电压足够大，那么其可损坏驱动器电路。显示将保护电路640-650连接到驱动器输出以防止所述损坏。所述保护电流通过电流控制电路450控制，且当禁用相应电容器时其被打开。驱动器电路1 610不具有驱动器保护电路。这是因为在此实例中总是启用C1，且因此不需要保护。以下进一步描述所述驱动器保护电路。

本发明的优选实施例产生电流输出的两种电平。因此，在自适应电压倍增器级中使用两个电容器。当达到所述预定电压时禁用一个电容器。选择剩余的电容器使得所产生的电流输出维持预定电压。即，所述电流等于在所述电压下的负荷的泄漏。

图7说明本发明的第二实施例。此实施例通过使用一自适应驱动器电路700提供一第二种方式来控制所述电流输出。此可用于替代图2所示的驱动器电路或图6的驱动器电路1 610。此为一具有两个可能的输出电压电平的驱动器电路。电压电源V_cc引到两个晶体管T₁和T₂。配置第一晶体管T₁以在节点N1处提供一高电压(约为V_cc)。晶体管T₁由电流控制电路450控制。其在模式1接通且在模式2关断。配置第二晶体管T₂以在关闭T₁时在节点N2处提供一较低电压。通过箝位调整电路710控制T₂的栅极以在N1处提供一恒定的低电压。这反过来降低了所述驱动器电路的输出。向所述电容器提供一较低电压的作用为在每一时钟周期通过级驱动较少的电荷。因此减少了所述级的电流输出。

图8(a)和8(b)分别说明模式1和模式2中所述自适应驱动器电路的电压输出。在模式1中，自适应驱动器电路给定一电压输出V₁，其中V₁约为V_cc。模式2中，自适应驱动器电路给定一低于V₁的电压输出V₂。此来自所述自适应驱动器电路的经减小的电压导致较少电荷被泵激到泵的下一级，即，较低的电流输出。

所述第一和第二实施例为实现来自所述电荷泵的经控制电流输出的替代方法。此等两种方法可结合成一第三实施例以给定更多的控制并允许多个电流电平。例如，当电压接近所述预定电平时可将所述电流输出减小一第一数量，且接着当电压等于所述预定电平时进一步减小所述电流输出。所述第三实施例为一使用可变电容和自适应驱动器电路的自适应电压倍增器级。这需要一能够以两个不同电压向电容器提供输出并还能够可禁用所述电容器的自适应驱动器电路。

图9说明第三实施例的一驱动器电路。此为一可转换的自适应驱动器电路900。其可用作图6中的驱动器电路2-驱动器电路n(620-630)。此电路类似于图7所示的自适应驱动器电路700。其具有来自V_cc的两个并行电源电压。一支线由电流控制电路450控制以在模式1中提供高电压输出。另一支线由箝位调整电路710调整以在模式2中提供一减少的电压输出。然而，所述电路中的晶体管经排列以使T₇和T₈直接连接到驱动器输出。当禁用电容器时，驱动器输出对通过电容器耦合的电压敏感。晶体管T₇、T₈和T₉均为N型沟道装置，且因此在所述配置中仅将N型沟道装置直接连接到驱动器输出。这允许将所述驱动器输出电压保持在一经选择以减小对N型沟道装置的损坏危险的特定电压电平。

图10说明本实施例的箝位调整电路710。所述电路控制一经控制晶体管(例如图7中的晶体管T₂或图9中的T₈)的栅极电压以在模式2中提供恒定电压输出。所述电路对节点N2处的电压起箝位作用使其很大程度上与所供应的电压无关，即与V_cc的变化无关。选择与经控制晶体管相同的晶体管T₁₀。电压电源V_cc中的任何改变导致到运算放大器1010的电压输入改变。接着，所述输出改变T₁₀的栅极上的电压并因此改变T₁₀的电阻上的电压。这使运算放大器输入处的电压传回其原始电平附近。所述电路在节点N3处维持一恒定电压。因为经控制的晶体管与T₁₀相同并由相同的栅极电压控制，所以经控制的晶体管在节点N2处维持一恒定电压。这防止电源电压Vcc中的波动影响模式2中的电压倍增器级的输出。

图11说明本发明的驱动器保护电路640。如图6所示连接所述驱动器保护电路。当禁用如图6中的C2的电容器时，驱动器电路620不再向所述电容器的下端施加电压。然而，向其它并联电容器(如C1)施加电压，所述电容器连接到与禁用电容器C2所连接的相同的输出线660。可通过所述禁用电容器C2将所述电压耦合到驱动器电路620。如果电压大，那么其可导致驱动器电路620的晶体管的反向偏压，并因此损坏所述晶体管。为了防止这一现象，当相应电容器C2被禁用时，驱动器电路640将驱动器电路620的输出处的节点保持在一固定电压。所述固定电压为地面与电源电压Vcc之间的某一中间电压。通过连接电源电压Vcc与节点N4之间的晶体管T11来保持所述电压。调整T11的栅极电压以在节点N4处维持所需的电压。

所述晶体管的栅极电压通过也对来自经由电容器和晶体管T11的栅极耦合的电压的损坏敏感的驱动器1110来控制。为了保护驱动器1110经受所述电压，将一电阻器R插入驱动器与晶体管T11的栅极之间。选择R的电阻以提供电阻器R上的足够的电压降，使得所述栅极处的最大预期电压不会导致驱动器1110输出处的足够高的电压来引起损坏。

Claims (14)

1.一种用于将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述预定电压的电荷泵，其包含：

一个或一个以上被耦合以增加一基本电压的电压倍增器级，且至少一个所述级进一步包含：

复数个可配置电容器，以允许在一时钟周期期间从所述级泵激不同数量的电荷。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其中至少一个电压倍增器级包含一第一电容器和一第二电容器；

在一第一操作模式中，所述第一和第二电容器被启用以提供一第一电流；和

在一第二操作模式中，所述第一电容器被启用且所述第二电容器被禁用，使得每时钟周期所述第二模式比所述第一模式给定一更低的电荷输出，借此所述第二模式比所述第一模式提供一更低的第二电流。

3.根据权利要求2所述的电荷泵，其中所述第一电容器经选择以在所述第二模式中从所述电荷泵提供一电流输出，其约等于维持所述预定电压所需的所述电流。

4.根据权利要求2所述的电荷泵，其中当所述负荷上的所述电压达到所述预定电压的一预定容限内时，所述泵模式从所述第一模式改变到所述第二模式。

5.根据权利要求1所述的电荷泵，其中所述电容器的至少一个被电连接到一驱动器电路；

所述驱动器电路通过一保护电路保护以免受经由所述电容器耦合的高电压，所述保护电路可将所述驱动器电路的所述输出处的所述电压限制到一预定范围内。

6.一种用于将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述电压的电荷泵，其包含：

复数个经耦合以增加一基本电压的电压倍增器级，至少一个级进一步包含：

一驱动器电路，其具有一可转换的第一电压电源以在一第一操作模式中提供一第一电压下的电流并在一第二操作模式中切断；

一经调整的第二电压电源，以在一第二操作模式中提供一恒定的第二电压；和

其中，所述第二电压经选择以从所述电荷泵提供一电流输出，其约等于维持所述负荷上的所述预定电压所必需的所述电流。

7.根据权利要求6所述的电荷泵，其进一步包含一箝位调整电路以通过调整施加到一箝位晶体管的所述栅极的所述电压来维持所述恒定的第二电压，使得所述箝位晶体管的所述漏极保持于一基本上与供应给所述晶体管的所述源极的所述电压中的波动无关的第二电压处。

8.一种用于将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述电压的电荷泵，其包含：

复数个经耦合以增加一基本电压的电压倍增器级，至少一个级进一步包含：

一由复数个可配置电容器提供的可变电容；

所述电容器中的每一个被电连接到一驱动器电路；

所述驱动器电路具有一可转换的第一电压电源，以在一第一操作模式中提供一第一电压下的电流并在一第二操作模式中切断；和

一经调整的第二电压电源，以在一第二操作模式中提供一恒定的第二电压。

9.一种用于限制一节点处的所述电压以保护连接到所述节点的装置的保护电路，其包含一晶体管、一驱动器电路和一电阻器；

所述晶体管具有一连接到一电源电压的源极、一连接到所述节点的漏极和一通过所述电阻器连接到所述驱动器的所述输出的栅极。

10.根据权利要求9所述的保护电路，其中所述晶体管为一N型沟道MOSFET。

11.根据权利要求9所述的保护电路，其中当一电压经由所述保护节点耦合到所述晶体管的所述栅极时，所述电阻器经选择以将所述驱动器电路的所述输出处的所述电压范围减小到一经选择以防止损坏所述驱动器电路的所述晶体管的范围。

12.一种用于将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述电压的电荷泵，其包含：

一用于通过一电荷泵将电压从一基本电压增加到一输出电压的构件；

一用于检测所述负荷上所述电压并在所述负荷达到一预定电压时将一电信号传回所述电荷泵的构件；和

一用于响应所述信号减小所述电荷泵的一个或一个以上级中使用的所述电容以提供来自所述电荷泵的一减小的电流输出的构件。

13.一种将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述电压的方法，其包含：

通过一电荷泵将电压从一基本电压增加到一输出电压；

检测所述负荷上的所述电压并在所述负荷达到一预定电压时将一电信号传回所述电荷泵；和

响应所述信号减小所述电荷泵的一个或一个以上级中使用的所述电容以提供来自所述电荷泵的一减小的电流输出。

14.一种将一负荷充电到一预定电压并维持所述负荷上的所述电压的方法，其包含：

通过一电荷泵将电压从一基本电压增加到一输出电压；

检测所述负荷上的所述电压并在所述负荷达到一预定电压时将一电信号传回所述电荷泵；和

响应所述信号减小所述电荷泵的一个或一个以上级中使用的所述电压以提供来自所述电荷泵的一减小的电流输出。

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