专利名称：一种高压电荷泵电路的制作方法
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。
技术背景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lA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lB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。。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—定是低电平。图lC是一个N级Dickson电荷泵示意图。它由二极管Di a和合耦合电容d G 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Di导通，V。。对d充电，直至节点1的电压为V^Vd (Vd为二极管的开启电压)； 当CLKa为高电平时，节点l的电压被抬高到2VmrVd，D2导通，节点1对电容G充电， 直至节点2的电压被抬高到2V。。-2Vd;如此递推，输出电压Vp^DD+n(VDD-Vd)-Vd，考 虑节点处寄生电容Cs和负载电流A,的影响，则输出电压为桥式中C表示每一级的耦合电容，为时钟ox(。/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-<formula>formula see original document page 4</formula>从输出电压Vp的表达式可以看出，电源电压V。D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L增大An，输出电压Vp就增大(w+i)An。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Vw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，SPVs〉Vref时，比较器COMP输出高电平 信号来打开NM0S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，g[]Vs〈Vref时，比较器C0MP输出低电平信号来关断醒0S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lO。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，有两个雨OS管同时监测输出电压的变化。其中一个腿OS管与 地相连，其栅极与泄流控制电路的输出相连接；另一个丽OS管其栅极直接与钳位 电路相连，其跨导随着羅0S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。
图1A为Dickson电荷泵的基本结构。图IB为两相不交叠时钟信号CLKa和CLKb的时序图。图IC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』皮电荷泵核心电路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。D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。D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l个连接成二极管 的原生丽OS管和7个连接成二极管的PMOS管(图中Ual Ua7、 Ubl 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；麵OS 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PM0S管和两个丽0S管(Mnl、 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Mnl的栅极相连。当Vctl增大时，Mnl的 导通能力增加，Mnl的导通电阻减小。由于Mnl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Mnl的分压增加，Mnl的漏源电 压增加，由于醒OS管的沟道长度调制效应，这也会有助于Mnl导通电流的增大。 综上所述，当Vs和Vctl同时增大时，Mnl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。D到GND的5个连接成二极管的NM0S串联而成，其主要作用是监控醒OS管阈值电压的变化。画os管电流为^gj^—糊")，其中g。,7^^I^表示丽os管的跨导，p;.为蘭OS管的栅源电压，^为NMOS管的阈值电压，A为醒OS中载流子的迁移率，c。,为单位面积的栅氧化层电容，『"为NMOS管的栅极宽长比。A支路中Mctla2 Mctla5的宽长比大于Mctlal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，若丽OS管的阈值电压增大，先假设A支路 中所有丽OS管的Vgs保持不变，由于Mctlal的跨导小，其电流改变量也小，故为 了维持Mctla2 Mctla5与Mctlal的匹配，必须减小Mctlal的栅源电压。也就是说， Vl点的电压随着丽OS管阈值电压的升高而降低，经过B支路丽OS管Mctlbl的反相 放大后，Mctlbl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醒OS管连接到Vctl，由于Mctlbl的宽长比较小，即 Mctlbl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。
权利要求
1. 一种高压电荷泵电路，其特征在于，所述高压电荷泵电路包含电荷泵核心电路，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，产生两相非交叠时钟信号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。
2. 根据权利要求1所述高压电荷泵电路，其特征在于，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。
3. 根据权利要求1所述高压电荷泵电路，其特征在于，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。
4. 根据权利要求1所述高压电荷泵电路，其特征在于，所述泄流电路，有两 个丽OS管同时监测输出电压的变化，其中一个丽OS管与地相连，其栅极与泄流控 制电路的输出相连接；另一个丽OS管其栅极直接与钳位电路相连，其跨导随着 丽0S管1导通电阻的减小而增大。
5. 根据权利要求1所述高压电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵核心电路 中PM0S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。
全文摘要
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。
文档编号H02M3/07GK101272090SQ20071011855
公开日2008年9月24日 申请日期2007年7月10日 优先权日2007年7月10日
发明者春 张, 李永明, 潘立阳, 王志华, 马继荣 申请人:清华大学