高速片上CMOS电荷泵研究

论文摘要

电荷泵是一种运用电荷在电容器中积累产生高压的电路,它广泛应用于串口通信电路、EEPROM、动态随机存储器等需要高压的领域。在EEPROM中,电荷泵用于对悬浮栅器件进行写入或者擦除操作。如果电荷泵泵压速度慢,EEPROM就不能实现高速数据改写,数据可能会丢失、误传,影响器件性能。本文通过研究减少电压上升时间的方法,设计一种应用于EEPROM的片上电荷泵系统,实现了快速升压的目的。本文基于华虹NEC0.5μm CMOS工艺,设计了片上电荷泵系统,该电路系统包含时钟产生电路、电荷泵核和调压电路三部分,其中时钟产生电路由基准电压源、共源电压放大器、压控振荡器和时序电路组成。所设计的时钟产生电路输出占空比约为30%的高频时钟信号,用此信号驱动电荷泵,减小了电荷泄漏等不利因素,使电压上升时间得到明显减小;对Dickson电荷泵进行改进,提出一种在电路的前四级加入4个预充管的电荷泵模型。电荷泵核采用这种模型,增加了节点初始电压,进一步减小了电压上升时间;通过使用调压电路,将电荷泵核输出的电压调整为可供EEPROM进行读、写、擦操作所需要的电压信号;在电路中加入了使能信号,控制电荷泵的开启与关闭,减小了电源功耗。利用HSPICE电路仿真软件,对各个模块及电路系统进行仿真验证。仿真结果表明,电荷泵系统的时钟频率高达2.071MHz,时钟占空比为31.565%。电荷泵仅需51.650μs就可以从5V升压到16V,电压稳定在17.691V。电荷泵完全关闭时,其静态电流为8.611μA。以上指标符合电路设计要求。本文设计的片上电荷泵系统,具有升压速度快、电路容易实现等特点,可以提供正常电压和高压,满足EEPROM读、写、擦的操作要求,可以应用在需要快速读写的EEPROM芯片中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电荷泵的种类及应用
• 1.2.1 电荷泵的种类
• 1.2.2 电荷泵的应用
• 1.3 电荷泵变换器的发展趋势
• 1.4 本课题研究目的和意义
• 1.5 本课题的研究内容
• 第2章 DICKSON 电荷泵的基本原理
• 2.1 传统DICKSON 电荷泵的工作原理
• 2.2 MOS 管DICKSON 电荷泵的工作原理
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.2 体效应对电荷泵的影响
• 2.3 DICKSON 电荷泵动态分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 片上电荷泵系统结构设计
• 3.1 电路设计指标
• 3.2 设计模型的选择
• 3.3 系统结构设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 子电路模块设计与仿真
• 4.1 时钟产生电路设计与仿真
• 4.1.1 基准电压源电路设计与仿真
• 4.1.2 共源电压放大器电路设计与仿真
• 4.1.3 压控振荡器电路设计与仿真
• 4.1.4 时序电路设计
• 4.1.5 时钟产生电路仿真
• 4.2 电荷泵核电路设计与仿真
• 4.2.1 电路设计
• 4.2.2 电路仿真
• 4.3 调压电路设计与仿真
• 4.3.1 电路设计
• 4.3.2 电路仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 片上电荷泵系统整体仿真
• 5.1 电荷泵关闭模式仿真
• 5.2 电荷泵开启模式仿真
• 5.3 整体仿真结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢