EEPROM 电路关键设计技术*

2022-01-16居水荣

科技创新与应用 2022年1期

关键词：电荷泵阈值电压时钟

居水荣

（江苏信息职业技术学院微电子学院，江苏无锡 214153）

在EEPROM 设计中，产品规格包括时序的定义非常重要，另外EEPROM 电路设计中单元电路和高压模块（即电荷泵电路）的设计也是关键，直接影响整个电路的性能。下面分别做介绍。

1 产品规格的定义

EEPROM 产品通常具有以下功能：

（1）读操作

当RSTN=1，CEN=0，OEN=0，WEN=1，READ=1，CLKR的上升沿锁存地址，地址对应的数据在CLKR 的下降沿，被锁存输出到DBO[7：0]，控制器可以在CLKR 的低电平时间从DBO[7：0]总线上获得数据。改变地址，对应每个CLKR 的高电平脉冲，读取数据。

（2）standby 模式

当CEN=1 或者RSTN=0（或者同时满足），则EEIP进入standby 模式，此时EEIP 的功耗非常小。

（3）页写操作

东西部扶贫协作和对口支援，是推动区域协调发展、协同发展、共同发展的大战略，是加强区域合作、优化产业布局、拓展对内对外开放新空间的大布局，是实现先富帮后富、最终实现共同富裕目标的大举措。根据国家东西部扶贫协作部署，福建省福州市连江县对口帮扶甘肃省定西市陇西县，2017年初完善结对、帮扶对象瞄准贫困村和建档立卡贫困人口，精准聚焦于产业合作、劳务协作、人才支援、资金支持等方面开展帮扶工作。

当CEN=0，RSTN=1，OEN=1，READ=0，WEN 的下降沿将触发写操作，在WEN 的下降沿，锁存地址，在WEN的上升沿，锁存数据。在WEN 跳高之后，控制器计时，如果50us 内没有WEN 的下降沿出现，则向EEIP 发出擦写操作的要求。反之，则需要继续等待下次满足50us 的条件出现，才启动擦写操作。另外在满足擦写条件后，还需要等待20us 后，启动高压动作，对EEIP 进行高压擦写过程。

（4）全片擦操作

操作开始与页写操作类似，需要一个或多个WEN的下降沿，但是对应的输入数据对操作无影响。同样等待50us，启动擦操作，此时需要满足全片擦使能信号有效，其余与页写操作的擦过程相同。在完成全片擦操作后，所有array 数据位为全1。

（5）全片写操作

操作开始与页写操作类似，需要一个或多个WEN的下降沿，但是对应的输入数据对操作无影响。同样等待50us，启动写操作，此时需要满足全片写使能信号有效，其余与页写操作的写过程相同。在完成全片写操作后，所有array 数据位为全0。

以读操作为例，其时序定义如图1 所示。

图1 EEPROM 的读时序

2 单元电路的设计

EEPROM 中的单元（cell）结构如图2 所示。

图2 cell 单元的电路图和物理结构

图2 中，EEPROM 的cell 存储单元由两个nmos 晶体管组成，N1 为高压nmos 管，作为cell 单元的选择管，N2为数据的存储管，N2 有两个栅，上层为控制栅，下层为浮栅（floating gate），两层栅之间有gate oxide，浮栅与沟道之间也有oxide，电荷存储在浮栅上。

EEPROM cell 单元的编程激励即进行编程操作的各节点的电压如表1 所示。

3 高压产生电路的设计

EEPROM 中最重要的模块为高压产生电路，原因是该模块产生EEPROM 操作所需要的高压。高压产生电路主要包括一个振荡器电路和一个电荷泵电路。电荷泵电路的整体结构如图3 所示，上述模块分别介绍如下。

（1）振荡器电路

振荡器电路在需要产生高压时刻，在输出端输出3～10MHz 的时钟信号，给电荷泵提供时钟输入。使用pmos偏置管提供电容的充电电流，pmos 管流过电流为4uA，电容大小约为1pf，输出延时后对电容快速放电，充放电的过程形成振荡器的振荡周期。使用RS 触发器，保证可以得到占空比较好的时钟频率输出。

（2）电荷泵主体电路

主体电路共有12 级，可以获得eeprom 工作需要的13v 以上的VPP 电压。每级大电容为0.6pf，小电容为0.08pf，这两个电容需要使用MIM 电容。最后VPP 输出端有8pf 的滤波电容，该电容使用14v 的nmos 管设计。

（3）四相时钟电路

电荷泵电路中需要产生四相时钟，四相时钟电路产生的波形如图4 所示。利用简单的延时电路来产生不同相位的时钟信号，利用四相时钟来克服阈值电压对电荷泵的影响，保证每级电荷的有效传递。考虑输出需要15v以上的信号，使用12 级电荷泵电路，其中传输电荷的nmos 管的pump 电容为0.8pf，抵制衬底偏置影响的nmos管的pump 电容为0.1pf。

图4 四相时钟波形

克服阈值电压影响的nmos 管的大小为4/2，对于电荷传输管，每四级为一组相同，依次为8/2、12/2 和16/2。考虑减小阈值电压对电荷泵性能的影响，使用低阈值电压的nmos 管。考虑滤波需要，在电荷泵的输出端到地加8pf 电容。最后，在高压结束时，为电荷泵的可靠工作，提供电荷泵各级节点到电源电压的放电通路。

（4）高压稳压电路

高压稳压电路利用电容分压获得的采样电压与基准电压比较，当采样电压小于基准电压，电荷泵工作，使输出高压上升；当采样电压大于基准电压，电荷泵关闭，输出高压保持，随着高压到地漏电的存在，高压将下降，下降到一定值时，电荷泵将再次工作，以上过程循环往复。电容分压电路的初始电压值，对高压稳压影响较大，所以电路中提供电容电压的复位，保证了每次高压启动时，电容上没有剩余电荷。设计中，电容分压为1∶1∶5，每个电容大小为0.6pf，已知参考电压为1.2v，则输出高压设计值VPPL 为13.2v，VPP 约为15.2v。另外，在高压结束时，提供了高压到电源电压的放电通路。

4 高压产生电路的整体仿真

高压产生电路仿真时在VPP 和VPPL 到地之间增加电流负载和电容负载，VPP 到地电流取100nA，VPPL 到地电流取1uA；VPP 到地电容取5pf，VPPL 到地电容取25pf。Vref 输入电压1.2v，iref 输入电流为2uA。图5 为高压产生电路在tt corner，vdd=2.5v，温度为27 度时的仿真波形。