EEPROM電路關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)淺析

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摘要：文章介紹了eeprom電路的規(guī)格及其中最重要的兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)，即單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電荷泵電路的設(shè)計(jì)；列出了單元結(jié)構(gòu)電路的編程電壓；分析了振蕩器及高壓產(chǎn)生電路的整體結(jié)構(gòu)，具體介紹了電荷泵主體結(jié)構(gòu)、四相時(shí)鐘產(chǎn)生電路以及高壓穩(wěn)壓等子模塊的功能特點(diǎn)；對(duì)高壓產(chǎn)生電路進(jìn)行了整體仿真，并給出了仿真結(jié)果。基于上述結(jié)構(gòu)，為EEPROM電路的設(shè)計(jì)提供一些設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：EEPROM；振蕩器；高壓產(chǎn)生電路；電荷泵

EEPROM是一種常見的存儲(chǔ)形式，根據(jù)存儲(chǔ)空間的大小分成若干頁(yè)，每頁(yè)上設(shè)置若干個(gè)字節(jié)。通過向EEPROM寫入相應(yīng)字節(jié)的數(shù)據(jù)以便保存，同時(shí)也可以通過相應(yīng)操作將所存的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除。上述寫入、讀出均有時(shí)間的要求。由于EEPROM普遍應(yīng)用在移動(dòng)或者智能終端，因此對(duì)功耗的要求比較高。在EEPROM設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品規(guī)格包括時(shí)序的定義非常重要，另外EEPROM電路設(shè)計(jì)中單元電路和高壓模塊（即電荷泵電路）的設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵，直接影響整個(gè)電路的性能。下面分別做介紹。

1產(chǎn)品規(guī)格的定義

EEPROM產(chǎn)品通常具有以下功能：（1）讀操作當(dāng)RSTN=1，CEN=0，OEN=0，WEN=1，READ=1，CLKR的上升沿鎖存地址，地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在CLKR的下降沿，被鎖存輸出到DBO[7：0]，控制器可以在CLKR的低電平時(shí)間從DBO[7：0]總線上獲得數(shù)據(jù)。改變地址，對(duì)應(yīng)每個(gè)CLKR的高電平脈沖，讀取數(shù)據(jù)。（2）standby模式當(dāng)CEN=1或者RSTN=0（或者同時(shí)滿足），則EEIP進(jìn)入standby模式，此時(shí)EEIP的功耗非常小。（3）頁(yè)寫操作當(dāng)CEN=0，RSTN=1，OEN=1，READ=0，WEN的下降沿將觸發(fā)寫操作，在WEN的下降沿，鎖存地址，在WEN的上升沿，鎖存數(shù)據(jù)。在WEN跳高之后，控制器計(jì)時(shí)，如果50us內(nèi)沒有WEN的下降沿出現(xiàn)，則向EEIP發(fā)出擦寫操作的要求。反之，則需要繼續(xù)等待下次滿足50us的條件出現(xiàn)，才啟動(dòng)擦寫操作。另外在滿足擦寫條件后，還需要等待20us后，啟動(dòng)高壓動(dòng)作，對(duì)EEIP進(jìn)行高壓擦寫過程。（4）全片擦操作操作開始與頁(yè)寫操作類似，需要一個(gè)或多個(gè)WEN的下降沿，但是對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)對(duì)操作無影響。同樣等待50us，啟動(dòng)擦操作，此時(shí)需要滿足全片擦使能信號(hào)有效，其余與頁(yè)寫操作的擦過程相同。在完成全片擦操作后，所有array數(shù)據(jù)位為全1。（5）全片寫操作操作開始與頁(yè)寫操作類似，需要一個(gè)或多個(gè)WEN的下降沿，但是對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)對(duì)操作無影響。同樣等待50us，啟動(dòng)寫操作，此時(shí)需要滿足全片寫使能信號(hào)有效，其余與頁(yè)寫操作的寫過程相同。在完成全片寫操作后，所有array數(shù)據(jù)位為全0。以讀操作為例，其時(shí)序定義如圖1所示。

2單元電路的設(shè)計(jì)

EEPROM中的單元（cell）結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，EEPROM的cell存儲(chǔ)單元由兩個(gè)nmos晶體管組成，N1為高壓nmos管，作為cell單元的選擇管，N2為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管，N2有兩個(gè)柵，上層為控制柵，下層為浮柵（floatinggate），兩層?xùn)胖g有g(shù)ateoxide，浮柵與溝道之間也有oxide，電荷存儲(chǔ)在浮柵上。EEPROMcell單元的編程激勵(lì)即進(jìn)行編程操作的各節(jié)點(diǎn)的電壓如表1所示。

3高壓產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

EEPROM中最重要的模塊為高壓產(chǎn)生電路，原因是該模塊產(chǎn)生EEPROM操作所需要的高壓。高壓產(chǎn)生電路主要包括一個(gè)振蕩器電路和一個(gè)電荷泵電路。電荷泵電路的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，上述模塊分別介紹如下。（1）振蕩器電路振蕩器電路在需要產(chǎn)生高壓時(shí)刻，在輸出端輸出3~10MHz的時(shí)鐘信號(hào)，給電荷泵提供時(shí)鐘輸入。使用pmos偏置管提供電容的充電電流，pmos管流過電流為4uA，電容大小約為1pf，輸出延時(shí)后對(duì)電容快速放電，充放電的過程形成振蕩器的振蕩周期。使用RS觸發(fā)器，保證可以得到占空比較好的時(shí)鐘頻率輸出。（2）電荷泵主體電路主體電路共有12級(jí)，可以獲得eeprom工作需要的13v以上的VPP電壓。每級(jí)大電容為0.6pf，小電容為0.08pf，這兩個(gè)電容需要使用MIM電容。最后VPP輸出端有8pf的濾波電容，該電容使用14v的nmos管設(shè)計(jì)。（3）四相時(shí)鐘電路電荷泵電路中需要產(chǎn)生四相時(shí)鐘，四相時(shí)鐘電路產(chǎn)生的波形如圖4所示。利用簡(jiǎn)單的延時(shí)電路來產(chǎn)生不同相位的時(shí)鐘信號(hào)，利用四相時(shí)鐘來克服閾值電壓對(duì)電荷泵的影響，保證每級(jí)電荷的有效傳遞?？紤]輸出需要15v以上的信號(hào)，使用12級(jí)電荷泵電路，其中傳輸電荷的nmos管的pump電容為0.8pf，抵制襯底偏置影響的nmos管的pump電容為0.1pf。克服閾值電壓影響的nmos管的大小為4/2，對(duì)于電荷傳輸管，每四級(jí)為一組相同，依次為8/2、12/2和16/2?？紤]減小閾值電壓對(duì)電荷泵性能的影響，使用低閾值電壓的nmos管?？紤]濾波需要，在電荷泵的輸出端到地加8pf電容。最后，在高壓結(jié)束時(shí)，為電荷泵的可靠工作，提供電荷泵各級(jí)節(jié)點(diǎn)到電源電壓的放電通路。（4）高壓穩(wěn)壓電路高壓穩(wěn)壓電路利用電容分壓獲得的采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，電荷泵工作，使輸出高壓上升；當(dāng)采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓，電荷泵關(guān)閉，輸出高壓保持，隨著高壓到地漏電的存在，高壓將下降，下降到一定值時(shí)，電荷泵將再次工作，以上過程循環(huán)往復(fù)。電容分壓電路的初始電壓值，對(duì)高壓穩(wěn)壓影響較大，所以電路中提供電容電壓的復(fù)位，保證了每次高壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，電容上沒有剩余電荷。設(shè)計(jì)中，電容分壓為1∶1∶5，每個(gè)電容大小為0.6pf，已知參考電壓為1.2v，則輸出高壓設(shè)計(jì)值VPPL為13.2v，VPP約為15.2v。另外，在高壓結(jié)束時(shí)，提供了高壓到電源電壓的放電通路。

4高壓產(chǎn)生電路的整體仿真

高壓產(chǎn)生電路仿真時(shí)在VPP和VPPL到地之間增加電流負(fù)載和電容負(fù)載，VPP到地電流取100nA，VPPL到地電流取1uA；VPP到地電容取5pf，VPPL到地電容取25pf。Vref輸入電壓1.2v，iref輸入電流為2uA。圖5為高壓產(chǎn)生電路在ttcorner，vdd=2.5v，溫度為27度時(shí)的仿真波形。不同仿真條件下的高壓產(chǎn)生電路的仿真結(jié)果如表2所示。

5結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了EEPROM電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，主要是針對(duì)單元電路和高壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)、功能及仿真結(jié)果等進(jìn)行了詳細(xì)描述，為設(shè)計(jì)EEPROM提供了參考方案。參考文獻(xiàn)：[1]居水榮，劉錫鋒.基于嵌入式MCU的音頻芯片信號(hào)處理模式[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（1）：7-9.

作者:居水榮 單位:江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院