摘要：本文主要介紹了RFID無(wú)源標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)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(N-Mental-Oxide-Semiconductor,意思為金屬-氧化物-半導(dǎo)體，而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為MOS晶體管)電荷泵的設(shè)計(jì)思想，提出了一種改進(jìn)的PMOS(positive channel Metal Oxide Semiconductor,是指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管)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。

　　一套完整的RFID系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成。RFID（Radio Frequency Identification,是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸）系統(tǒng)目前廣泛采用的存儲(chǔ)介質(zhì)是EEPROM。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)FRAM的特點(diǎn)是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如E2PROM的寫入次數(shù)的問(wèn)題。但受鐵電晶體特性制約，F(xiàn)RAM仍有訪問(wèn)（讀）次數(shù)的限制，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)基本也是關(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。

    在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底（提供大量可以動(dòng)空穴）上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)(N+區(qū)域中有大量為電流流動(dòng)提供自由電子的電子源)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極（通常是多晶硅）,作為柵極g。在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。

　　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)移開關(guān)在開關(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，終輸出端也會(huì)達(dá)到一個(gè)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。

    PMOS的工作原理與NMOS相類似。因?yàn)镻MOS是N型硅襯底，其中的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴，源漏區(qū)的摻雜類型是P型，所以，PMOS的工作條件是在柵上相對(duì)于源極施加負(fù)電壓，亦即在PMOS的柵上施加的是負(fù)電荷電子，而在襯底感應(yīng)的是可運(yùn)動(dòng)的正電荷空穴和帶固定正電荷的耗盡層，不考慮二氧化硅中存在的電荷的影響，襯底中感應(yīng)的正電荷數(shù)量就等于PMOS柵上的負(fù)電荷的數(shù)量。當(dāng)達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)，在相對(duì)于源端為負(fù)的漏源電壓的作用下，源端的正電荷空穴經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的P型溝道到達(dá)漏端，形成從源到漏的源漏電流。同樣地，VGS越負(fù)(越大)，溝道的導(dǎo)通電阻越小，電流的數(shù)值越大。

　　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電荷泵每的傳輸管M1均工作在線性區(qū)，因此每為輸出節(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，并且有值為53%，之后隨升壓級(jí)數(shù)的增大而減?。划?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，效率可達(dá)68%。

　　由此可見，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化，并提高轉(zhuǎn)換效率。