摘 要： 介紹了RFID無(wú)源標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的EEPROM存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析Dickson電荷泵的工作原理以及廣泛應(yīng)用的NMOS電荷泵的設(shè)計(jì)思想，提出了一種改進(jìn)的PMOS電荷泵設(shè)計(jì)方法，能夠消除NMOS電荷泵電路中由于襯底接地而產(chǎn)生的襯偏電壓造成的體效應(yīng)，并對(duì)該P(yáng)MOS電荷泵設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了仿真分析。
關(guān)鍵詞： RFID；EEPROM；電荷泵；NMOS管；PMOS管
射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)系統(tǒng)目前廣泛采用的存儲(chǔ)介質(zhì)是EEPROM。雖然鐵電存儲(chǔ)器FeRAM在低壓低功耗和擦寫速度等方面比EEPROM 更有優(yōu)勢(shì)，但是它的工藝復(fù)雜，成本也較高，所以現(xiàn)在RFID系統(tǒng)中采用的存儲(chǔ)介質(zhì)仍以EEPROM為主。用于RFID系統(tǒng)的存儲(chǔ)器必須滿足兩個(gè)條件，一是要滿足低壓低功耗的要求，RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽一般是無(wú)源的，標(biāo)簽通過(guò)耦合閱讀器的電磁場(chǎng)獲得工作所需的能量，這就要求標(biāo)簽的各部分電路都必須在低壓低功耗下工作；二是成本必須要低，由于RFID的標(biāo)簽一般都是大量使用的，因此每個(gè)標(biāo)簽的設(shè)計(jì)首先要考慮它的低成本特性。
本文首先介紹了非揮發(fā)性EEPROM存儲(chǔ)器單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了傳統(tǒng)NMOS電荷泵的工作原理，在該電路中，由于自舉NMOS管的襯底均接地，通過(guò)提高柵壓能減小體效應(yīng)的影響，但隨著電荷泵級(jí)數(shù)的增加，自舉結(jié)構(gòu)抑制體效應(yīng)的能力逐漸降低。因此提出了襯底短接的PMOS管電荷泵電路，該電路利用襯底切換技術(shù)能夠消除晶體管的體效應(yīng)，大大提高電荷泵電路的轉(zhuǎn)換效率。
1 EEPROM關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)及工作原理
在EEPROM存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中，速度、功耗和面積是三個(gè)最基本也是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖1給出了EEPROM的系統(tǒng)架構(gòu)圖。它主要包括控制電路、電荷泵電路、I/O接口電路、存儲(chǔ)器陣列、地址譯碼電路以及讀出敏感放大器電路等。其中，電壓開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)鎖存器模塊用于被編程數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)；位譯碼電路、位選擇模塊和敏感放大器則構(gòu)成了整個(gè)存儲(chǔ)器的讀出通路。在EEPROM電路結(jié)構(gòu)中，電荷泵是中心模塊，用來(lái)產(chǎn)生存儲(chǔ)器擦寫數(shù)據(jù)所需要的高壓。
2 傳統(tǒng)電荷泵工作原理
在EEPROM電路設(shè)計(jì)中，大部分MOS管電荷泵都是基于Dickson在1976年提出的電路結(jié)構(gòu)。圖2給出了一個(gè)產(chǎn)生正向高壓的n級(jí)Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)。CLK是幅度為VΦ、頻率為f的兩相不交疊時(shí)鐘信號(hào)。通常情況下，VΦ和電源電壓的值相等。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，隨著兩時(shí)鐘的交替變化，電荷被沿著一個(gè)方向傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn)。
在n級(jí)Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束后，第n個(gè)節(jié)點(diǎn)和(n+1)個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差可寫為：
VΦ′是從時(shí)鐘耦合到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅度，VL是當(dāng)電荷泵在提供負(fù)載電流時(shí)，電容被充放電的電壓幅度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘耦合電容C和寄生電容Cs均有如下關(guān)系：
每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，通過(guò)每個(gè)二極管的總電荷為(C+Cs)×VL，則電荷泵在一定的時(shí)鐘頻率下所能提供的輸出電流為：
由此可以推導(dǎo)出每一級(jí)為輸出節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的電壓為：
其中，n為電荷泵的級(jí)數(shù)。根據(jù)上述分析，理論上只要增加級(jí)數(shù)n的值，就可以在輸出端得到任意高的輸出電壓。
通常，采用二極管連接的NMOS管實(shí)現(xiàn)Dickson電荷泵中的二極管功能，從而改進(jìn)二極管的可控性，降低制造過(guò)程中的難度。因此式(6)中VT要用晶體管的閾值電壓代替。然而這種結(jié)構(gòu)也存在一個(gè)潛在的問(wèn)題，即由于二極管連接的NMOS管的襯底均接地，隨著電荷泵各節(jié)點(diǎn)電壓的逐級(jí)升高，晶體管源端電壓逐級(jí)升高，NMOS管的襯偏電壓逐漸增大，根據(jù)晶體管體效應(yīng)原理，NMOS管的閾值電壓會(huì)隨著襯偏電壓的增加而增加，從而輸出端得到的輸出電壓小于Dickson電荷泵的理論分析值，而且隨著電荷泵級(jí)數(shù)n的增加體效應(yīng)的影響越來(lái)越明顯，使得實(shí)際電荷泵的性能不再與理論分析一致，而是隨著n的增加，輸出端最終會(huì)有一個(gè)極限值。
為了減小體效應(yīng)的影響，靜態(tài)電荷轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)以及通用NMOS柵電壓自舉結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用到電荷泵中。然而靜態(tài)電荷轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)截止的瞬間會(huì)產(chǎn)生倒向電流，增加電路靜態(tài)功耗，降低電荷泵效率，而由于工藝水平的限制，通用NMOS柵電壓自舉結(jié)構(gòu)中的NMOS管的襯底仍接地(如圖3所示)，雖然提高柵壓能夠減小體效應(yīng)的影響，但如果需要更高的輸出電壓，隨著電荷泵級(jí)數(shù)的增加，自舉結(jié)構(gòu)仍對(duì)體效應(yīng)無(wú)能為力，最終輸出端也會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值。
3 改進(jìn)的電荷泵
為了抑制體效應(yīng)對(duì)電荷泵效率的影響，本文提出一種改進(jìn)的全PMOS電荷泵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在普通工藝下實(shí)現(xiàn)，利用PMOS電壓自舉結(jié)構(gòu)增加傳輸管的柵源電壓，利用襯底切換技術(shù)消除晶體管的體效應(yīng)，產(chǎn)生比Dickson電荷泵更高的輸出電壓，提高電荷泵效率。
圖4給出了改進(jìn)的全PMOS電荷泵第i級(jí)的結(jié)構(gòu)示意圖。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，clkl為低，由于耦合電容Cp的作用使Vi點(diǎn)電壓降低，之后clk2升高，Cp使節(jié)點(diǎn)Vi-1和Vi+1耦合到高電平。因此自舉晶體管M(i+1)2管導(dǎo)通，第(i+1)級(jí)的傳輸晶體管的柵被充電，使M(i+1)1截止，同時(shí)另外一個(gè)自舉晶體管Mi2也被截止。一段時(shí)間后，clk3降低，則Mi1柵壓降低，Mi1導(dǎo)通且工作在線性區(qū)，電荷從前級(jí)輸出端Vi-1傳輸?shù)絍i，且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓僅相差一個(gè)工作于線性區(qū)的晶體管的漏源電壓。此時(shí)，clk4為高，前后級(jí)的Mi柵電壓升高，同時(shí)M2導(dǎo)通，給M1的柵充電，使M1晶體管截止。當(dāng)傳輸達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，clk3首先變高，使本級(jí)M1截止，其次clk2、clk1、clk4相繼反相。當(dāng)clk4為低電平時(shí)，耦合偶數(shù)級(jí)傳輸管M1的柵為低，M1導(dǎo)通且工作在線性區(qū)，向輸出端傳送電荷，此時(shí)，奇數(shù)級(jí)輸出為高，恰好關(guān)斷偶數(shù)級(jí)的M2自舉管。
由以上分析可知，這里的M2自舉管并不像NMOS自舉結(jié)構(gòu)一樣，使NMOS管導(dǎo)通得更好，而是恰恰相反，它的作用是將PMOS管的柵壓升得更高，從而使PMOS傳輸管關(guān)閉得更好。
根據(jù)上述分析，PMOS電荷泵每一級(jí)的傳輸管M1均工作在線性區(qū)，因此每一級(jí)為輸出節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的電壓為：
其中，I0為本級(jí)向后級(jí)提供的驅(qū)動(dòng)電流，RON為M1管的線性導(dǎo)通電阻值。則改進(jìn)的n級(jí)全PMOS電荷泵的輸出電壓可寫為：
在電荷泵一個(gè)工作周期內(nèi)，clk1為低、clk2為高時(shí)，奇數(shù)級(jí)輸出電壓略低于偶數(shù)級(jí)輸出電壓，奇數(shù)級(jí)M4截止，M3管處于弱導(dǎo)通；偶數(shù)級(jí)M3截止，M4處于弱導(dǎo)通，則各PMOS晶體管襯底連接到漏源端的高電平，即偶數(shù)級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)。反之，clkl為高、clk2為低時(shí)，各PMOS晶體管襯底仍連接高電平，即奇數(shù)級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)。這樣電荷泵不管工作在時(shí)鐘的什么相位下，所有PMOS晶體管的襯底都始終處于高電平，完全消除了體效應(yīng)的影響，從而大大提高了電荷泵的效率。
4 設(shè)計(jì)仿真
對(duì)PMOS電荷泵進(jìn)行仿真分析如圖5所示，在電源電壓和要求的輸出高壓一定的情況下，可以大大降低電荷泵的級(jí)數(shù)，減小芯片面積，降低功耗，適用于低電源電壓、高輸出電壓的情況，如產(chǎn)生低功耗存儲(chǔ)器的擦寫高壓等，電荷泵的效率定義為：
由仿真結(jié)果可知，NMOS電荷泵的升壓效率較低，隨升壓級(jí)數(shù)的增加會(huì)產(chǎn)生最大值為38%。而對(duì)于PMOS電荷泵，在理想情況(α=0)下，沒(méi)有寄生電容存在，取N=10級(jí)時(shí)，電荷泵效率與升壓倍數(shù)成正比；在非理想情況下，當(dāng)α=0.1時(shí)，升壓效率隨升壓倍數(shù)增大而逐漸增高，并且有最大值為53%，之后隨升壓級(jí)數(shù)的增大而減??；當(dāng)α=0.05時(shí)，升壓效率同樣隨升壓倍數(shù)增大而增大，并且峰值會(huì)延后，最高效率可達(dá)68%。
由此可見(jiàn)，在PMOS電荷泵電路中，寄生電容的選取在很大程度上將決定電荷泵升壓效率的峰值大小，寄生電容越小，升壓效率越高。
隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，低功耗設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。本文通過(guò)對(duì)RFID標(biāo)簽中EEPROM存儲(chǔ)器中電荷泵的理論分析后，提出了PMOS型DC-DC電荷泵電路能夠消除原NMOS電荷泵產(chǎn)生的體效應(yīng)，選擇合適的升壓級(jí)數(shù)，可使電荷泵電路的功耗最小化，并提高轉(zhuǎn)換效率。
參考文獻(xiàn)
[1] SHIN J S，CHUNG I Y，PARK Y J，et al.A new charge pump without degradation in threshold voltage due to body effect.IEEE JSSC，vol.35，No.8，May 2000，35(8).
[2] LEE J，KO M.A novel EEPROM cell for smart card application．Microelectronic Engineering，vol.71，Issues 3-4．2004：283-287．
[3] JIANG Bo Wei，WANG Xiao，MIN Hao．A novel all-PMOS AC to DC charge pump with high efficiency．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，29(4)：660-662．
[4] 冀康靈，劉志弘，朱鈞，等．用于RFID的EEPROM技術(shù)及IP設(shè)計(jì)．微電子學(xué)，2006，36(1)：12-15．
[5] 郝躍，劉紅俠．電荷泵電路功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)．微電子學(xué)，2006，36(3)：373-376．
[6] 成偉，馬曉華．EEPROM單元的電荷保持特性．微電子學(xué)，2006，27(7)：1290-1293．
[7] 應(yīng)一幟．一種高速低功耗電荷泵電路的設(shè)計(jì)．電子工程師，2006，32(1)：12-14．
[8] 曹寒梅，楊銀堂．快速穩(wěn)定的CMOS電荷泵電路設(shè)計(jì)．電子器件，2008，31(5)：1475-1478．