0 引言

    隨著物聯網的蓬勃發展，射頻識別芯片RFID迎來了爆發式的增長需求，EEPROM作為RFID芯片中核心部件，也被提出了低電源電壓、高密度、高可靠性等要求。隨著工藝尺寸的進一步減小，電路的工作電壓也在不斷降低，但是EEPROM的擦寫操作需要的15 V高壓一直不變，其中15.5 V高壓器件的閾值電壓接近于EEPROM的正常工作電壓^[1-3]；另外，存儲單元的擦寫電壓窗口隨溫度的降低而減小，降低了芯片在低溫條件下的可靠性。基于以上原因，設計了一款可以工作在低電源電壓條件下，同時產生具有溫度補償特性的擦寫高壓的電荷泵電路；通過對高壓電路的設計改進，提升了EEPROM的可靠性。

    本設計的高壓產生電路如圖1所示，包括時鐘驅動電路、電壓倍乘電路、電荷泵電路以及電壓穩壓電路。電壓倍乘電路將最低為1.3 V的電源電壓倍乘，用來驅動高壓電荷泵電路。時鐘驅動電路產生30 MHz的非交疊兩相時鐘用來驅動電荷泵。電荷泵電路通過從電壓倍乘電路抽取電荷產生15 V的高壓。電壓穩壓電路包括分壓電路和比較器，實現高壓電荷泵的輸出高壓穩定在15 V，同時產生一個反饋控制信號VFLAG。

    當電荷泵輸出高壓大于15 V時，分壓電路得到的反饋電壓大于基準電壓，VFLAG等于0，控制時鐘驅動電路停止工作。同樣，當電荷泵輸出高壓小于15 V時，反饋信號小于基準電壓，VFLAG等于電源電壓，控制時鐘電路開始工作，使得電荷泵輸出高壓上升，從而實現輸出高壓穩定在一個合理的設計值。

    電荷泵是高壓產生電路中的核心部件。最早的片上電荷泵電路基于Dickson結構^[4]，該結構采用電容實現電荷從上一級傳遞到下一級；然而，器件的高閾值電壓及其體效應限制了電荷泵的增益，因此該結構不適用于低電源電壓環境。

    本論文中，采用電壓倍乘電路，得到兩倍于電源的電壓用來驅動主電荷泵電路，實現了高壓產生電路的低電源電壓工作^[5]。同時，采用具有負溫度系數特性的分壓電路，實現電荷泵電路輸出電壓的負溫度特性，解決了EEPROM在低溫條件下可靠性降低的問題。

1 升壓電路

1.1 電壓倍乘電路

    圖2中，M1、M2是交叉連接的Native NMOS器件，其漏端neta、netb分別通過各自的電荷泵電容C1、C2連接至時鐘CLK及其不交疊反相時鐘CLKB。PMOS器件M5、M6為所有PMOS器件M3~M6提供合適的襯底電壓。M3、M4交叉連接構成輸出級。當CLK為低電平時，M1、M3導通，M2、M4截止，此時節點neta的電壓等于輸入電壓VIN。當CLK出現上升沿后，M1~M4全部截止，由于neta沒有充、放電通道，其電壓被抬高至V_IN+V_CLK，其中V_CLK為時鐘CLK的幅度。因此，M1、M3截止，M2、M4導通。理想條件下，V_OUT等于兩倍的電源電壓。該電路具有內部節點電壓不隨時鐘信號跳變而大幅度變化的特點。

1.2 電荷泵電路

    電壓倍乘電路都有一個輸入電壓和一個輸出電壓，結果等于V_OUT=V_IN+V_CLK。在理想情況下，將N個電壓倍乘電路作為子單元級聯起來就可以得到大小為(N+1)·V_DD的電壓^[6]。高壓電荷泵電路如圖3所示。

    本設計中，電荷泵電路由10級電壓倍乘電路組成，其中第一級的輸入電壓為V_DD，所有級的時鐘電壓幅度為電壓倍乘電路的輸出電壓，約為2·V_DD。

    因此，理想條件下電荷泵輸出電壓V_PPH的理想值為：

    由于體效應、高壓漏電等非理想因素的影響，電荷泵的輸出高壓達不到式(1)中的理想值。

1.3 電壓穩壓電路

    為了防止過高的高壓損壞存儲器件，降低EEPROM的可靠性，需要穩定電荷泵的輸出高壓。通常在高壓產生電路中增加電壓穩壓電路，如圖1所示。當分壓電路產生的反饋信號V_FB高于帶隙基準源產生的參考電壓V_REF時，比較器輸出邏輯‘0’，關閉電荷泵電路的驅動時鐘。同樣，當反饋信號低于V_REF時，比較器輸出邏輯‘1’，時鐘驅動電路、電荷泵正常工作。

    為實現高壓信號V_PPH與溫度負相關，設計了分壓比隨溫度變化的分壓電路。當溫度升高時，分壓電路中的二極管壓降減小，而溫度升高時，二極管壓降升高，使得V_PPH隨溫度的升高而降低。

2 實驗結果

2.1 仿真結果

    本文中的高壓產生電路在0.13 μm CMOS Embedded EEPROM工藝上實現，工作最小電壓1.3 V，時鐘頻率30 MHz，負載電容為50 pF。

    高壓產生電路V_PPH的仿真結果如圖4所示，其中V_BOOST信號為電壓倍乘電路的輸出電壓，用來向高壓電荷泵中電容提供電荷的驅動電壓；V_PPH的大小為15 V。

2.2 測試結果

    高壓產生電路作為EEPROM的一部分已經在0.13 μm CMOS Embedded工藝上完成制備，面積大小為800 μm×60 μm。

    圖5顯示了高壓產生電路的高壓輸出V_PPH隨溫度變化的測量結果?？梢钥吹?，電壓V_PPH在整個工作溫度范圍內(-40 ℃~85 ℃)，隨溫度線性變化約為200 mV，提升了存儲器在低溫下的擦寫窗口，使得存儲器的低溫可靠性得到提升。

3 結論

    在本文中，設計并制備了一個應用于EEPROM的低電源電壓工作的高壓產生電路。測量結果顯示電荷泵在1.3 V~1.65 V的電源下正常工作；同時采用負溫度特性的電壓分壓電路，實現電荷泵的高壓輸出具有負溫度特性，補償了存儲器件的電壓窗口隨溫度變化的問題，提升了低溫條件下的存儲器可靠性。

參考文獻

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作者信息：

李振國1，2，何  洋1，2，胡  毅1，2，王晉雄1，2，唐曉柯1，2，原義棟1，2，李垠韜3，袁衛國3

（1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心，北京100192；

3.國網冀北電力有限公司，北京100053）