專利名稱：基于耦合電容共享的電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于耦合電容共享的電荷泵電路屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)和快閃存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及到單電源供電的NOR結(jié)構(gòu)快閃存儲(chǔ)器的高壓電荷泵電路的設(shè)計(jì)。


圖1是傳統(tǒng)Dickson型正高壓電荷泵電路示意圖。它由NMOS管MN1-MN5和耦合電容C1-C4組成。其中NMOS管MN1-MN5的源端和漏端逐個(gè)串連起來，并最終連接在電源電壓VDD和高壓輸出端VPP之間，而且MN1-MN5的柵極都連接到各自的漏端形成二極管，而它們的襯底都連接到地Gnd。耦合電容C1-C4的一端交替連接到兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1或者CLK2上，如圖1中耦合電容C1和C3的一端連接到時(shí)鐘信號(hào)CLK1上，而耦合電容C2和C4的一端連接到時(shí)鐘信號(hào)CLK2上。耦合電容C1-C4的另一端分別連接到NMOS管MN1-MN4的源端。
圖2是兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1和CLK2的時(shí)序圖。CLK1和CLK2都是方波信號(hào)，它們的相位相反，并在電源電壓VDD和地Gnd之間跳變。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK1為低，而CLK2為高時(shí)，NMOS管MN1由于柵壓高于源端(P1)電壓而處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣耦合電容C1將被充電到電源電壓VDD減去NMOS管MN1的閾值電壓VT。當(dāng)CLK1變?yōu)楦叨鳦LK2為低時(shí)，MN2的漏端電壓(P1)將被耦合電容C1耦合到2VDD-VT，而此時(shí)NMOS管MN1關(guān)斷而MN2將導(dǎo)通，這樣耦合電容C2將被充電到2VDD-2VT。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK1再次變?yōu)榈投鳦LK2變?yōu)楦邥r(shí)，NMOS管MN3的漏端(P2)電壓將被耦合電容C2耦合到3VDD-2VT，而此時(shí)NMOS管MN2關(guān)斷而MN3將導(dǎo)通，這樣耦合電容C3將被充電到3VDD-3VT。這樣的充電過程一直繼續(xù)下去，輸出端VPP的電壓將達(dá)到最大，其具體數(shù)值可以表示為(N+1)×(VDD-VT)，其中N表示正高壓電荷泵的級(jí)數(shù)。
把圖1中所示的傳統(tǒng)Dickson型正高壓電荷泵電路的輸入端由電源電壓VDD換成地Gnd，把所有的NMOS管(MN1-MN5)換成PMOS管(MP1-MP5)，且把PMOS管(MP1-MP5)的襯底都接到電源電壓VDD，就構(gòu)成了如圖3所示的傳統(tǒng)負(fù)高壓電荷泵電路，它的工作原理和傳統(tǒng)的Dickson型正高壓電荷泵電路的相類似，可以產(chǎn)生所需的負(fù)高壓(VNP)。
對(duì)于一個(gè)需要正高壓(VPP)和負(fù)高壓(VNP)以完成編程和擦除操作的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器系統(tǒng)來講，傳統(tǒng)的方法是使用兩個(gè)單獨(dú)的電荷泵電路一個(gè)正高壓電荷泵用于產(chǎn)生比電源電壓VDD高的正高壓(VPP)，而另一個(gè)負(fù)高壓電荷泵用于產(chǎn)生負(fù)高壓(VNP)。
現(xiàn)有技術(shù)的電荷泵的主要問題是它的耦合電容占據(jù)了很大的芯片面積，如果一個(gè)系統(tǒng)中需要多個(gè)電荷泵，這個(gè)問題將更加嚴(yán)重。而且由于編程和擦除操作不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，所以兩個(gè)電荷泵不會(huì)同時(shí)工作，這樣每個(gè)電荷泵的利用率只有50％。經(jīng)檢索，在現(xiàn)有專利和非專利文獻(xiàn)中沒有公開關(guān)于正、負(fù)高壓電荷泵共享耦合電容的文獻(xiàn)。
本發(fā)明所提出的基于耦合電容共享的電荷泵電路，含有正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵，以及兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)；其特征在于，所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵通過一組由控制信號(hào)VCP和VCN控制的耦合開關(guān)共享一組耦合電容；所述耦合電容是能承受正高壓和負(fù)高壓的耦合電容，其一端連接所述耦合開關(guān)，其另一端依次交替連接上述兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)。
其特征還在于，所述耦合開關(guān)含有一組源端與所述正高壓電荷泵的各級(jí)耦合端相連的PMOS管，和一組源端與所述負(fù)高壓電荷泵的各級(jí)耦合端相連的NMOS管，所述PMOS管的漏端與所述NMOS管的漏端依次兩兩共同連接上述耦合電容的另一端；所述PMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCP，所述NMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCN；所述PMOS管的襯底連接所述正高壓電荷泵的輸出端，所述NMOS管的襯底均連接所述負(fù)高壓電荷泵的輸出端。
其特征還在于，所述正高壓電荷泵并聯(lián)一個(gè)輔助電荷泵；所述輔助電荷泵也通過一組耦合開關(guān)與一組耦合電容的一端耦合，該組耦合電容的另一端與上述正、負(fù)高壓電荷泵共享的耦合電容反相的交替連接上述兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)；該耦合開關(guān)含有一組源端連接所述輔助電荷泵的耦合端的PMOS管，該組PMOS管的漏端連接該組耦合電容的一端，該組PMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCP，其襯底連接所述正高壓電荷泵的輸出端。
試驗(yàn)證明，本發(fā)明能夠減少耦合電容的數(shù)量，從而減少芯片面積，達(dá)到了預(yù)期的目的。
圖5B，實(shí)施例一的正高壓電荷泵電路原理圖；圖5C，實(shí)施例一的負(fù)高壓電荷泵電路原理圖；圖6A，實(shí)施例二的耦合開關(guān)及耦合電容電路原理圖；圖6B，實(shí)施例二的正高壓電荷泵電路原理圖；圖6C，實(shí)施例二的負(fù)高壓電荷泵電路原理圖。
如圖4，為了實(shí)現(xiàn)耦合電容共享，一個(gè)耦合開關(guān)13被用于控制耦合電容14的連接方向，當(dāng)需要產(chǎn)生正高壓時(shí)，由狀態(tài)機(jī)16產(chǎn)生的控制信號(hào)VCP打開耦合開關(guān)內(nèi)部連接到正高壓電荷泵11的傳輸通道，控制信號(hào)VCN關(guān)斷連接到負(fù)高壓電荷泵12的傳輸通道，這樣耦合電容只連接到正高壓電荷泵上，而和負(fù)高壓電荷泵隔開，在時(shí)鐘生成模塊15產(chǎn)生的兩相非重疊時(shí)鐘(CLK1和CLK2)的驅(qū)動(dòng)下，正高壓電荷泵11開始工作并產(chǎn)生所需的正高壓VPP。當(dāng)需要產(chǎn)生負(fù)高壓時(shí)，控制信號(hào)VCP關(guān)斷連接到正高壓電荷泵11的傳輸通道，控制信號(hào)VCN打開連接到負(fù)高壓電荷泵12的傳輸通道，這樣耦合電容14只連接到負(fù)高壓電荷泵12上，而和正高壓電荷泵11隔開，在兩相非重疊時(shí)鐘(CLK1和CLK2)的驅(qū)動(dòng)下，負(fù)高壓電荷泵12開始工作并產(chǎn)生所需的負(fù)高壓VNP。兩相非重疊時(shí)鐘(CLK1和CLK2)的時(shí)序圖見圖2。
下面給出實(shí)施本發(fā)明的兩個(gè)具體的實(shí)施例。
耦合開關(guān)13的工作原理如下當(dāng)控制信號(hào)VCN和VCP都為高時(shí)，所有的NMOS管MN56-MN59都被打開，而所有的PMOS管MP56-MP59都被關(guān)斷，這樣耦合電容C51-C54通過導(dǎo)通的NMOS管MN56-MN59連接到耦合端N51-N54，進(jìn)而連接到負(fù)高壓電荷泵上，在兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1和CLK2的驅(qū)動(dòng)下，負(fù)高壓電荷泵工作并產(chǎn)生所需的負(fù)高壓VNP。當(dāng)控制信號(hào)VCN和VCP都為低時(shí)，所有的NMOS管MN56-MN59都被關(guān)斷，而所有的PMOS管MP56-MP59都被打開，這樣耦合電容C51-C54通過導(dǎo)通的PMOS管MP56-MP59連接到耦合端P51-P54上，進(jìn)而連接到正高壓電荷泵上，在兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1和CLK2的驅(qū)動(dòng)下，正高壓電荷泵工作并產(chǎn)生所需的正高壓VPP。當(dāng)控制信號(hào)VCN為低而VCP為高時(shí)，正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵都將停止工作，而耦合電容C51-C54的一端T1-T4上的正電荷或者負(fù)電荷將分別通過MP56-MP59或者M(jìn)N56-MN59被瀉放掉，比如當(dāng)負(fù)高壓電荷泵工作停止后，耦合電容C53的一端T3會(huì)存儲(chǔ)一定的負(fù)電荷，雖然此時(shí)控制信號(hào)VCN為低，但是MN58仍將導(dǎo)通，T3端的負(fù)電荷會(huì)一直被瀉放直到MN58關(guān)斷為止。同樣，如果正高壓電荷泵工作停止后，T3端會(huì)存儲(chǔ)一定的正電荷，雖然此時(shí)控制信號(hào)VCP為高，但是MP58仍將導(dǎo)通，T3端的正電荷會(huì)一直被瀉放直到MP58關(guān)斷為止。
為了保證PMOS管MP56-MP59的p-n結(jié)不會(huì)正偏，它們的襯底都連接到正高壓電荷泵的輸出端VPP上，同樣為了保證NMOS管MN56-MN59的p-n結(jié)不會(huì)正偏，它們的襯底都連接到負(fù)高壓電荷泵的輸出端VNP上。
需要指出的是，由于耦合電容需要承受正高壓和負(fù)高壓，所以應(yīng)采用能承受正高壓和負(fù)高壓的耦合電容，本發(fā)明采用以多晶間的ONO(Oxide-Nitride-Oxide)作為介質(zhì)層的耦合電容。
圖5B為是圖4所述電荷泵電路中的正高壓電荷泵電路，它和圖1所示的電荷泵比較，只是去掉了其中的耦合電容。其中NMOS管MN51-MN55各自連接成二極管方式，并互相串連起來構(gòu)成一個(gè)四級(jí)的Dickson型正高壓電荷泵。第一個(gè)NMOS管MN51的柵極和漏極都連接到電源電壓VDD，而最后一個(gè)NMOS管MN55的源端連接到正高壓輸出端VPP。其中耦合端P51-P54分別連接到耦合開關(guān)中的P51-P54端口，當(dāng)控制信號(hào)VCP和VCN都為低時(shí)，P51-P54將分別與耦合電容C51-C54連接，正高壓電荷泵開始工作。
圖5C為圖4所述電荷泵電路中負(fù)高壓電荷泵電路，與圖3所示的負(fù)高壓電荷泵比較，只是去掉了其中的耦合電容。它是由五個(gè)連接成二極管方式的PMOS管MP51-MP55串連形成的一個(gè)四級(jí)負(fù)高壓電荷泵，其中耦合端N51-N54分別連接到耦合開關(guān)中的N51-N54端口，當(dāng)控制信號(hào)VCP和VCN都為高時(shí)，端口N51-N54將分別連接到耦合電容C51-C54上，負(fù)高壓電荷泵開始工作。
圖6A是本實(shí)施例中耦合電容及耦合開關(guān)的電路原理圖，由于本實(shí)施例中加入了一個(gè)正高壓輔助電荷泵20，因此，要相應(yīng)的加上該輔助電荷泵的耦合電容Cs61-Cs64，及4個(gè)PMOS管MS61-MS64。由于輔助電荷泵20要與主電荷泵19一起工作，而其時(shí)鐘信號(hào)要與主電荷泵的相反，因此MS61-MS64的柵極與MP61-MP64的柵極共同連接控制信號(hào)VCP，其漏端分別連接Cs61-Cs64的一端，其源端K61-K64分別連接輔助電荷泵20的各級(jí)耦合端K61-K64；耦合電容Cs61-Cs64的另一端則與耦合電容C61-C64反相的交替連接到時(shí)鐘CLK1和CLK2上。作為輔助電荷泵的耦合電容，Cs61-Cs64的尺寸一般遠(yuǎn)小于C61-C64的尺寸。正、負(fù)高壓電荷泵共同耦合4個(gè)電容C61～C64，負(fù)高壓電荷泵的最后一級(jí)則通過NMOS管MN65單獨(dú)連接耦合電容C65。NMOS管MN61-MN65的柵極連接控制信號(hào)VCN。同樣為了保證PMOS管MP61-MP64和MS61-MS64的p-n結(jié)不會(huì)正偏，它們的襯底都連接到正高壓電荷泵的輸出端VPP上，為了保證NMOS管MN61-MN65的p-n結(jié)不會(huì)正偏，它們的襯底都連接到負(fù)高壓電荷泵的輸出端VNP上。
與實(shí)施例一中的工作方式基本相同，本例中耦合開關(guān)的工作原理如下當(dāng)控制信號(hào)VCN和VCP都為高時(shí)，所有的NMOS管MN61-MN65都被打開，而所有的PMOS管MP61-MP64和MS61-MS64都被關(guān)斷，這樣耦合電容C61-C65通過導(dǎo)通的MN61-MN65連接到耦合端N61-N65，進(jìn)而連接到負(fù)高壓電荷泵上，在兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1和CLK2的驅(qū)動(dòng)下，負(fù)高壓電荷泵工作并產(chǎn)生所需的負(fù)高壓VNP。當(dāng)控制信號(hào)VCN和VCP都為低時(shí)，所有的NMOS管MN61-MN65都被關(guān)斷，而所有的PMOS管MP61-MP64和MS61-MS64都被打開，這樣耦合電容C61-C64和Cs61-Cs64通過導(dǎo)通的PMOS管MP61-MP64和MS61-MS64分別連接到耦合端P61-P64和K61-K64上，進(jìn)而連接到正高壓電荷泵中的主電荷泵19和輔助電荷泵20上，在兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)CLK1和CLK2的驅(qū)動(dòng)下，主電荷泵19和輔助電荷泵20工作并產(chǎn)生所需的正高壓VPP。當(dāng)控制信號(hào)VCN為低而VCP為高時(shí)，正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵都將停止工作，而耦合電容C61-C64的T5-T8端的正電荷或者負(fù)電荷將分別通過MP61-MP64和MS61-MS64或者M(jìn)N61-MN64被瀉放掉，比如當(dāng)負(fù)高壓電荷泵工作停止后，T7端會(huì)存儲(chǔ)一定的負(fù)電荷，雖然此時(shí)控制信號(hào)VCN為低，但是MN63仍將導(dǎo)通，T7上的負(fù)電荷會(huì)一直被瀉放直到MN63關(guān)斷為止。同樣，如果正高壓電荷泵工作停止后，T7上會(huì)存儲(chǔ)一定的正電荷，雖然此時(shí)控制信號(hào)VCP為高，但是MP63和MS63仍將導(dǎo)通，T7上的正電荷會(huì)一直被瀉放直到MP63和MS63關(guān)斷為止。
在實(shí)施例二中，正高電壓電荷泵由于級(jí)數(shù)較負(fù)高壓電荷泵少一級(jí)，它也可以與負(fù)高壓電荷泵共享耦合電容C62-C65，而且耦合電容C61-C65與時(shí)鐘CLK1和CLK2始終依次交替連接。通過調(diào)整耦合電容C61-C65的大小可以優(yōu)化負(fù)高壓電荷泵的性能，進(jìn)而通過調(diào)整耦合電容Cs61-Cs64的大小可以對(duì)正高壓電荷泵的性能進(jìn)行優(yōu)化。如果為負(fù)高壓電荷泵加一個(gè)輔助電荷泵，其與實(shí)施例二一樣，要在耦合開關(guān)中為該輔助電荷泵增加相應(yīng)的耦合通管，并增加耦合電容，這里不再贅述。
如上所述，本發(fā)明能夠減少電荷泵電路中耦合電容的數(shù)量，從而達(dá)到減少芯片面積的目的。
盡管上述對(duì)幾種實(shí)施例的描述具有一定程度的特殊性，但這僅僅是本發(fā)明原理的說明，很顯然，本發(fā)明不局限于本文所披露和說明的這幾個(gè)實(shí)施例。因此，不超出本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)可能做出的適當(dāng)變化都將包含在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.基于耦合電容共享的電荷泵電路，含有正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵，以及兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)；其特征在于，所述正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵通過一組由控制信號(hào)VCP和VCN控制的耦合開關(guān)共享一組耦合電容；所述耦合電容是能承受正高壓和負(fù)高壓的耦合電容，其一端連接所述耦合開關(guān)，其另一端依次交替連接上述兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于耦合電容共享的電荷泵電路，其特征在于，所述耦合開關(guān)含有一組源端與所述正高壓電荷泵的各級(jí)耦合端相連的PMOS管，和一組源端與所述負(fù)高壓電荷泵的各級(jí)耦合端相連的NMOS管，所述PMOS管的漏端與所述NMOS管的漏端依次兩兩共同連接上述耦合電容的另一端；所述PMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCP，所述NMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCN；所述PMOS管的襯底連接所述正高壓電荷泵的輸出端，所述NMOS管的襯底均連接所述負(fù)高壓電荷泵的輸出端。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于耦合電容共享的電荷泵電路，其特征在于，所述正高壓電荷泵并聯(lián)一個(gè)輔助電荷泵；所述輔助電荷泵也通過一組耦合開關(guān)與一組耦合電容的一端耦合，該組耦合電容的另一端與上述正、負(fù)高壓電荷泵共享的耦合電容反相的交替連接上述兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)；該耦合開關(guān)含有一組源端連接所述輔助電荷泵的耦合端的PMOS管，該組PMOS管的漏端連接該組耦合電容的一端，該組PMOS管的柵極共同連接所述控制信號(hào)VCP，其襯底連接所述正高壓電荷泵的輸出端。
全文摘要
基于耦合電容共享的電荷泵電路屬于模擬集成電路設(shè)計(jì)和快閃存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及到單電源供電的NOR結(jié)構(gòu)快閃存儲(chǔ)器的高壓電荷泵電路的設(shè)計(jì)。其特征在于，正高壓電荷泵和負(fù)高壓電荷泵通過一組由控制信號(hào)V
文檔編號(hào)G11C16/06GK1477773SQ0314639
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者伍冬, 潘立陽, 段志剛, 朱鈞, 伍 冬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)