一种电荷泵及FLAS存储器的制作方法

本发明电源开关技术领域，特别涉及电荷泵及flas存储器。

背景技术：

电荷泵是一种dc/dc变换器，其功能是在芯片内产生一个高于电源电压的电压。与其他dc/dc变换器相比，需要的外围器件少，并且没有电磁波干扰，从而在存储器技术领域得以广泛应用。

在存储器领域，如flash存储器，在对flash存储器读取、写入以及擦除时，均需要一个高于电源电压的电压，此电压由flash芯片内的电荷泵提供。

由于目前对flash存储器的读取速度、写入速度要求越来越高，电荷泵如何在更短的时间输出所需的高电压越来越重要。因此，升压速度成为了电荷泵一个非常重要的指标。

电荷泵所占面积的大小主要受到主电容值大小的影响，在传统的电荷泵设计中，每一级主电容的大小相同，这可使电荷泵驱动能力最大，但在电荷泵升压过程中，若要使其升压至稳定值的速度更快，那么仅简单地让电荷泵每一级主电容值相同是存在局限性。

传统的电荷泵在确定了时钟频率和电荷泵级数后，若要进一步提升电荷泵输出电压的升压至稳定值的速度，只能以牺牲面积为代价增加每一级主电容的大小，从而达到提升电荷泵输出电压的升压速度的目的。

这种设计方式的确能减小电荷泵的升压时间，但也提高了电荷泵的主电容值，由于电荷泵的面积主要受主电容值的影响，所以主电容值的增加会使得电荷泵的面积大大增加。

技术实现要素：

本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种电荷泵，包括：n级升压电路，所述n级升压电路中n为大于1的整数；每级升压电路包括一主电容，沿着n级升压电路中电压信号的输出方向，前一级升压电路中的主电容值大于等于后一级升压电路中的主电容值。

进一步，第一级升压电路中的主电容值大于第二级升压电路中的主电容值，第n-1级升压电路中的主电容值大于第n级升压电路中的主电容值。

进一步，位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值均相等。

进一步，每级升压电路包括一主升压子电路和一辅助升压子电路，所述主升压子电路与所述辅助升压子电路电连接；前一级升压电路中的辅助升压子电路与后一级升压电路中的主升压子电路电连接。

进一步，所述主升压子电路包括：一主电容和一主场效应管，所述主电容串接在所述主场效应管的栅极上，所述主场效应管的源极形成主升压子电路的输入端；所述辅助升压子电路包括：一辅助电容和一辅助场效应管，所述辅助电容串接在所述辅助场效应管的栅极上，所述辅助场效应管的栅极还与所述主场效应管的漏极电连接；所述辅助场效应管的源极与所述主场效应管的源极电连接，所述辅助场效应管的漏极与所述主场效应管的栅极电连接，所述辅助场效应管的漏极还形成辅助升压子电路的输出端；所述辅助场效应管的漏极还与电源场效应管的漏极电连接，所述电源场效应管的栅极、源极均接电源电压。

进一步，还包括：防止倒流的场效应管，所述场效应管的栅极、源极分别与所述第n级升压电路中辅助升压子电路的输出端电连接；所述场效应管的漏极通过负载电容接地；所述场效应管的漏极形成电荷泵的电压输出端。

进一步，每级升压电路中的主电容值是利用电荷泵等效模型，以及所述电荷泵等效模型中的延时模型计算得到。

进一步，所述电荷泵等效模型中的延时模型为：τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f为电荷泵时钟信号的频率。

进一步，所述一级主电容c11的值，通过以下公式计算得到：所述n级主电容cn1的值，通过以下公式计算得到：其中，cl是负载电容；c为位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值。

本发明还通过一种包含电荷泵的flas存储器。

与现有技术相比，本发明提供的电荷泵及flas存储器，具有以下优点：

本发明基于主电容面积不变的条件，将每一级主电容值重新进行分配。根据电荷守恒，后一级主电容中的电荷均由前一级主电容传输，若前一级主电容大于等于后一级主电容，前一级往后一级传输的电荷量便会增多，这将提升电荷泵输出电压升压至稳定值的速度。前一级主电容更大些，存储的电荷就更多些；虽然后一级电容的值小了，然而后一级电容一次能够获得的电荷仍然会增加。避免了传统方法中依靠增大主电容面积来提升电荷泵输出电压升压速度的方法，减小了电荷泵的面积。

前一级主电容值不是越大越好，因为在一个n级电荷泵的总面积保持不变的前提下，前级电容值越大，后级的电容值就会越小。所以当负载电容为定值时，即使第一级主电容足够大，使得第二级主电容的升压速度足够快，但是由于后面级数的主电容越来越小小，后面级数的主电容升压速度会变慢，这会使电荷泵输出电压的升压速度不会得到提升。本发明中合理设计，确保提升了电荷泵的升压速度。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种电荷泵及flas存储器的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一种n级电荷泵的电路原理图；

图2是本发明一种n级电荷泵的传统等效电路原理图；

图3是本发明一种n级电荷泵的等效电路原理图；

图4是本发明一种两级电荷泵的电路原理图；

图5是本发明一种两级电荷泵中c/cl＝0.5时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图；

图6是本发明一种两级电荷泵中c/cl＝1时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图；

图7是本发明一种两级电荷泵中c/cl＝2时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图；

图8是本发明一种三级电荷泵中c/cl＝0.5时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图；

图9是本发明一种三级电荷泵中c/cl＝1时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图；

图10是本发明一种三级电荷泵中c/cl＝2时传统优化方式与本发明提出的优化方式的输出电压升压曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，一种电荷泵，包括：n级升压电路，所述n级升压电路中n为大于1的正整数，例如n为2、3......20等；每级升压电路包括一主电容，沿着n级升压电路中电压信号的输出方向，前一级升压电路中的主电容值大于等于后一级升压电路中的主电容值。

优选的，第一级升压电路中的主电容值大于第二级升压电路中的主电容值，第n-1级升压电路中的主电容值大于第n级升压电路中的主电容值。位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值均相等。

具体的，n级四相时钟电荷泵，电荷泵每级均包括一个主mos管m11\m21......mn1，主电容c11\c21......cn1，辅助mos管m12\m22......mn2，辅助电容c12\c22......cn2。为便于分析，假定主mos管、辅助mos管皆可视为理想开关，且忽略实际电路中所存在的寄生电容，此假设并不影响结论的正确性。

传统的电荷泵设计，其等效电路图如图2所示，vmax＝(n+1)vcc，rpump＝1/c11+……+1/cn1，当c11＝c21＝…＝cn1＝c，cpump≈nc/3；在c11+c21+……+cn1＝nc保持不变的前提下，仅能使rpump的值达到最小，而不能使rpump和cload(cload＝cpump+cl)的乘积最小，但电荷泵的升压时间与其等效模型中的rpump和cload的乘积成正比，故经典的电荷泵设计方法存在很大的局限性。

传统地设计结构中假设每一级主电容值为c，那么n级电荷泵中所有主电容值为nc。本实施例的优化结构中，基于面积不变的条件，将每一级主电容值重新进行分配。电荷并前级的主电容值将比c大，而后级的主电容值将比c小，例如，n级电荷泵中的所有主电容值可以按照等差数列进行分布，但需保证c11+c21+……+cn1＝nc。

值得注意的是：前级主电容值不是越大越好，因为在一个n级电荷泵的总面积保持不变的前提下，前级电容值越大，后级的电容值就会越小。所以当负载电容为定值时，即使第一级主电容足够大，使得第二级主电容的升压速度足够快，但是由于后面级数的主电容越来越小小，后面级数的主电容升压速度会变慢，这会使电荷泵输出电压的升压速度不会得到提升。本发明中合理设计，确保提升了电荷泵的升压速度。

如图1所示，针对上述实施例的改进，本实施例中，每级升压电路包括一主升压子电路和一辅助升压子电路，所述主升压子电路与所述辅助升压子电路电连接；前一级升压电路中的辅助升压子电路与后一级升压电路中的主升压子电路电连接。

优选的，所述主升压子电路包括：一主电容c11\c21......\cn1和一主场效应管m11\m21......\mn1，所述主电容c11\c21......\cn1串接在所述主场效应管m11\m21......\mn1的栅极上，所述主场效应管m11\m21......\mn1的源极形成主升压子电路的输入端。

优选的，所述辅助升压子电路包括：一辅助电容c12\c22......\cn2和一辅助场效应管m12\m22......\mn2，所述辅助电容c12\c22......\cn2串接在所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的栅极上，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的栅极还与所述主场效应管m11\m21......\mn1的漏极电连接；所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的源极与所述主场效应管m11\m21......\mn1的源极电连接，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极与所述主场效应管m11\m21......\mn1的栅极电连接，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极还形成辅助升压子电路的输出端；所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极还与电源场效应管m10\m20......\mn0的漏极电连接，所述电源场效应管m10\m20......\mn0的栅极、漏极均接电源电压，起到对电荷泵各节点预充电的作用。

所述第n级升压电路中辅助升压子电路的输出端分别与所述场效应管的栅极、源极电连接；场效应管起保护作用、防止倒流。所述场效应管的漏极通过负载电容cl接地；所述场效应管的漏极形成电荷泵的电压输出端。

电荷泵升压过程中，电源电压从m12源级输入，clk1、clk2、clk3、clk4均为时钟信号，时钟的高电平等于电源电压，低电平为0v。通过合理控制时钟信号的相位，分别开启m11\m21......\mn1管和m12\m22......\mn2管，从而达到升压的目的。例如当clk1为高，clk2为低时，m11管开启，m12管关断，此时，电源电压给电容c12充电；当clk1为低，clk2为高时，m12管开启，m11管关断，此时，电源电压给电容c11充电；当clk1再次为高时，由于之前电源电压已经给c11充满电荷，所以电荷泵第一级的输出端，即m12管的漏端电压将升压至电源电压的两倍。以此类推，经过n级后，电压将升至电源电压的n+1倍。

具体的，当c/cl的值越大时，此优化方法的提升效果越明显，对电荷泵升压速度的提升越多。为了便于分析，均假定主mos管、辅助mos管为理想的开关管，且忽略实际电路中所存在的寄生电容，此假设并不影响结论的正确性。

通过理论分析不难得到，当c11+c21＝2c，时，两级电荷泵输出电压的升压速度更快。从上述的公式中可以看出，c21<c<c1，当cl远大于c时，c21的值接近于c，当cl远小于c时，c21的值接近于0。

分别选取c/cl＝0.5、c/cl＝1和c/cl＝2，如图5、图6、图7所示，初始状态的输出电压vout(0)＝vcc，最终状态的输出电压vout(∞)＝3vcc，以vout(0)升压到0.9vout(∞)所需的时间作为电荷泵升压时间的参考。图5、图6、图7中横坐标为电荷泵中时钟的周期数，纵坐标为电荷泵的输出电压。图5、图6、图7实线表示电荷泵经过传统的优化方式后的输出电压升压曲线，即c11＝c21＝c时的输出电压升压曲线。而虚线表示c11＝2c-c21时的输出电压升压曲线，此时c11>c21。

针对上述实施例的改进，本实施例中，每级升压电路中的主电容值是利用电荷泵等效模型，以及所述电荷泵等效模型中的延时模型计算得到。

所述电荷泵等效模型中的延时模型为：

τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；延时τn与电荷泵的升压速度成反比；

其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f为电荷泵时钟信号的频率。

所述一级主电容c11的值，通过以下公式计算得到：

所述n级主电容cn1的值，通过以下公式计算得到：

其中，cl是负载电容；c为位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值。

具体的，图3是本发明提出的n级电荷泵等效模型；根据elmore延时模型可知，vmax＝(n+1)vcc，延时τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)，其中r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f为电荷泵时钟信号的频率。延时τn与电荷泵的上升速度成反比。从延时τn的公式中不难看出，电荷泵每级电容都相等，即c11＝c21＝c31＝……＝cn1＝c时，延时τn并非最小。

当电荷泵为两级时，其电路图如图4所示，根据延时模型τ2＝r1c11+(r1+r2)(c21+cl)，此时可以推导出，当c11+c21＝2c，时，延时τ2最小，两级电荷泵输出电压的升压速度最快，如图5，图6，图7所示。

当电荷泵为三级时，根据延时模型τ2＝r1c11+(r1+r2)c21+(r1+r2+r3)(c31+cl)，此时可以推导出，当c11+c21+c31＝3c，c21＝c，时，此时的延时τ3将比c11＝c21＝c31＝c时的延时τ3更小，此时三级电荷泵输出电压的升压速度将更快，如图8，图9，图10所示。

当电荷泵为n级时，根据延时模型τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)，此时可以推导出，当c11+c21+……+cn1＝nc，c21＝c，……，c(n-1)1＝c，时，此时的延时τn将比c11＝c21＝c31＝……＝cn1＝c时的延时τn更小，此时n级电荷泵输出电压的升压速度将更快。

根据本发明提供的另一个实施例，一种flas存储器，包含电荷泵，所述电荷泵包括：包括：n级升压电路，所述n级升压电路中n为大于1的正整数，例如n为2、3......20等；每级升压电路包括一主升压子电路和一辅助升压子电路，所述主升压子电路与所述辅助升压子电路电连接；前一级升压电路中的辅助升压子电路与后一级升压电路中的主升压子电路电连接。

优选的，所述主升压子电路包括：主电容c11\c21......\cn1和主场效应管m11\m21......\mn1，所述主电容c11\c21......\cn1串接在所述主场效应管m11\m21......\mn1的栅极上，所述主场效应管m11\m21......\mn1的源极形成主升压子电路的输入端。

优选的，所述辅助升压子电路包括：辅助电容c12\c22......\cn2和辅助场效应管m12\m22......\mn2，所述辅助电容c12\c22......\cn2串接在所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的栅极上，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的栅极还与所述主场效应管m11\m21......\mn1的漏极电连接；所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的源极与所述主场效应管m11\m21......\mn1的源极电连接，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极与所述主场效应管m11\m21......\mn1的栅极电连接，所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极还形成辅助升压子电路的输出端；所述辅助场效应管m12\m22......\mn2的漏极还与电源场效应管m10\m20......\mn0的漏极电连接，所述电源场效应管m10\m20......\mn0的栅极、源极均接电源电压。

优选的，所述第n级升压电路中辅助升压子电路的输出端分别与所述场效应管的栅极、源极电连接；场效应管起保护作用、防止倒流。所述场效应管的漏极通过负载电容cl接地；所述场效应管的漏极形成电荷泵的电压输出端。

沿着n级升压电路中电压信号的输出方向，前一级升压电路中的前一级主电容值大于等于后一级升压电路中的后一级主电容值。

优选的，第一级升压电路中的一级主电容值大于第二级升压电路中的二级主电容值，第n-1级升压电路中的n-1级主电容值大于第n级升压电路中的n级主电容值。位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值均相等。

每级升压电路中的主电容值是利用电荷泵等效模型，以及所述电荷泵等效模型中的延时模型计算得到。

所述电荷泵等效模型中的延时模型为：

τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；延时τn与电荷泵的升压速度成反比；

其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f为电荷泵时钟信号的频率。

所述一级主电容c11的值，通过以下公式计算得到：

所述n级主电容cn1的值，通过以下公式计算得到：

其中，cl是负载电容；c为位于所述第一级升压电路、第n级升压电路之间的每级升压电路中的主电容值。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。