应用在RFID电子标签中EEPROM的优化设计

　　摘要：本文主要介绍了RFID无源标签设计中的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,电可擦可编程只读存储器)存储器结构，通过分析Dickson电荷泵的工作原理以及广泛应用的NMOS(N-Mental-Oxide-Semiconductor,意思为金属-氧化物-半导体，而拥有这种结构的晶体管我们称之为MOS晶体管)电荷泵的设计思想，提出了一种改进的PMOS(positive channel Metal Oxide Semiconductor,是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管)电荷泵设计方法，能够消除NMOS电荷泵电路中由于衬底接地而产生的衬偏电压造成的体效应，并对该PMOS电荷泵设计方法进行了仿真分析。

　　一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成。RFID（Radio Frequency Identification,是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触）系统目前广泛采用的存储介质是EEPROM。传统的存储介质FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的写入次数的问题。但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有访问（读）次数的限制，所以现在RFID系统中采用的存储介质仍以EEPROM为主。用于RFID系统的存储器必须满足两个条件，一是要满足低压低功耗的要求，RFID系统中的标签一般是无源的，标签通过耦合阅读器的电磁场获得工作所需的能量，这就要求标签的各部分电路都必须在低压低功耗下工作；二是成本必须要低，由于RFID的标签一般都是大量使用的，因此每个标签的设计首先要考虑它的低成本特性。

　　本文首先介绍了非挥发性EEPROM存储器单元的系统结构，分析了传统NMOS电荷泵的工作原理，在该电路中，由于自举NMOS管的衬底均接地，通过提高栅压能减小体效应的影响，但随着电荷泵级数的增加，自举结构抑制体效应的能力逐渐降低。因此提出了衬底短接的PMOS管电荷泵电路，该电路利用衬底切换技术能够消除晶体管的体效应，大大提高电荷泵电路的转换效率。

　　1 EEPROM关键电路结构及工作原理

　　在EEPROM存储器设计中，速度、功耗和面积是三个基本也是关键的设计指标。图1给出了EEPROM的系统架构图。它主要包括控制电路、电荷泵电路、I/O接口电路、存储器阵列、地址译码电路以及读出敏感放大器电路等。其 中，电压开关和数据锁存器模块用于被编程数据的临时存储；位译码电路、位选择模块和敏感放大器则构成了整个存储器的读出通路。在EEPROM电路结构中，电荷泵是中心模块，用来产生存储器擦写数据所需要的高压。

　　2 传统电荷泵工作原理

　　在EEPROM电路设计中，大部分MOS管电荷泵都是基于Dickson在1976年提出的电路结构。图2给出了一个产生正向高压的n级Dickson电荷泵结构。CLK是幅度为VΦ、频率为f的两相不交叠时钟信号。通常情况下，VΦ和电源电压的值相等。由于二极管的单向导通特性，随着两时钟的交替变化，电荷被沿着一个方向传输到输出节点。

　　在n级Dickson电荷泵结构中，每一个时钟周期结束后，第n个节点和（n+1）个节点的电压差可写为：

　　VΦ′是从时钟耦合到每个节点的电压幅度，VL是当电荷泵在提供负载电流时，电容被充放电的电压幅度。每个节点上时钟耦合电容C和寄生电容Cs均有如下关系：

　　每个时钟周期内，通过每个二极管的总电荷为（C+Cs）×VL，则电荷泵在一定的时钟频率下所能提供的输出电流为：

　　由此可以推导出每为输出节点贡献的电压为：

　　其中，n为电荷泵的级数。根据上述分析，理论上只要增加级数n的值，就可以在输出端得到任意高的输出电压。

    在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底（提供大量可以动空穴）上，制作两个高掺杂浓度的N+区(N+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极（通常是多晶硅）,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

　　通常，采用二极管连接的NMOS管实现Dickson电荷泵中的二极管功能，从而改进二极管的可控性，降低制造过程中的难度。因此式（6）中VT要用晶体管的阈值电压代替。然而这种结构也存在一个潜在的问题，即由于二极管连接的NMOS管的衬底均接地，随着电荷泵各节点电压的逐级升高，晶体管源端电压逐级升高，NMOS管的衬偏电压逐渐增大，根据晶体管体效应原理，NMOS管的阈值电压会随着衬偏电压的增加而增加，从而输出端得到的输出电压小于Dickson电荷泵的理论分析值，而且随着电荷泵级数n的增加体效应的影响越来越明显，使得实际电荷泵的性能不再与理论分析一致，而是随着n的增加，输出端终会有一个极限值。

　　为了减小体效应的影响，静态电荷转移开关以及通用NMOS栅电压自举结构逐渐应用到电荷泵中。然而静态电荷转移开关在开关截止的瞬间会产生倒向电流，增加电路静态功耗，降低电荷泵效率，而由于工艺水平的限制，通用NMOS栅电压自举结构中的NMOS管的衬底仍接地（如图3所示），虽然提高栅压能够减小体效应的影响，但如果需要更高的输出电压，随着电荷泵级数的增加，自举结构仍对体效应无能为力，终输出端也会达到一个值。

　　3 改进的电荷泵

　　为了抑制体效应对电荷泵效率的影响，本文提出一种改进的全PMOS电荷泵结构，这种结构能够在普通工艺下实现，利用PMOS电压自举结构增加传输管的栅源电压，利用衬底切换技术消除晶体管的体效应，产生比Dickson电荷泵更高的输出电压，提高电荷泵效率。

　　图4给出了改进的全PMOS电荷泵第i级的结构示意图。在一个时钟周期内，clkl为低，由于耦合电容Cp的作用使Vi点电压降低，之后clk2升高，Cp使节点Vi-1和Vi+1耦合到高电平。因此自举晶体管M（i+1）2管导通，第（i+1）级的传输晶体管的栅被充电，使M（i+1）1截止，同时另外一个自举晶体管Mi2也被截止。一段时间后，clk3降低，则Mi1栅压降低，Mi1导通且工作在线性区，电荷从前级输出端Vi-1传输到Vi，且两个节点电压仅相差一个工作于线性区的晶体管的漏源电压。此时，clk4为高，前后级的Mi栅电压升高，同时M2导通，给M1的栅充电，使M1晶体管截止。当传输达到稳态后，clk3首先变高，使本级M1截止，其次clk2、clk1、clk4相继反相。当clk4为低电平时，耦合偶数级传输管M1的栅为低，M1导通且工作在线性区，向输出端传送电荷，此时，奇数级输出为高，恰好关断偶数级的M2自举管。

    PMOS的工作原理与NMOS相类似。因为PMOS是N型硅衬底，其中的多数载流子是电子，少数载流子是空穴，源漏区的掺杂类型是P型，所以，PMOS的工作条件是在栅上相对于源极施加负电压，亦即在PMOS的栅上施加的是负电荷电子，而在衬底感应的是可运动的正电荷空穴和带固定正电荷的耗尽层，不考虑二氧化硅中存在的电荷的影响，衬底中感应的正电荷数量就等于PMOS栅上的负电荷的数量。当达到强反型时，在相对于源端为负的漏源电压的作用下，源端的正电荷空穴经过导通的P型沟道到达漏端，形成从源到漏的源漏电流。同样地，VGS越负(越大)，沟道的导通电阻越小，电流的数值越大。

　　由以上分析可知，这里的M2自举管并不像NMOS自举结构一样，使NMOS管导通得更好，而是恰恰相反，它的作用是将PMOS管的栅压升得更高，从而使PMOS传输管关闭得更好。

　　根据上述分析，PMOS电荷泵每的传输管M1均工作在线性区，因此每为输出节点贡献的电压为：

　　其中，I0为本级向后级提供的驱动电流，RON为M1管的线性导通电阻值。则改进的n级全PMOS电荷泵的输出电压可写为：

　　在电荷泵一个工作周期内，clk1为低、clk2为高时，奇数级输出电压略低于偶数级输出电压，奇数级M4截止，M3管处于弱导通；偶数级M3截止，M4处于弱导通，则各PMOS晶体管衬底连接到漏源端的高电平，即偶数级输出节点。反之，clkl为高、clk2为低时，各PMOS晶体管衬底仍连接高电平，即奇数级输出节点。这样电荷泵不管工作在时钟的什么相位下，所有PMOS晶体管的衬底都始终处于高电平，完全消除了体效应的影响，从而大大提高了电荷泵的效率。

　　4 设计仿真

　　对PMOS电荷泵进行仿真分析如图5所示，在电源电压和要求的输出高压一定的情况下，可以大大降低电荷泵的级数，减小芯片面积，降低功耗，适用于低电源电压、高输出电压的情况，如产生低功耗存储器的擦写高压等，电荷泵的效率定义为：

　　由仿真结果可知，NMOS电荷泵的升压效率较低，随升压级数的增加会产生值为38%。而对于PMOS电荷泵，在理想情况（α=0）下，没有寄生电容存在，取N=10级时，电荷泵效率与升压倍数成正比；在非理想情况下，当α=0.1时，升压效率随升压倍数增大而逐渐增高，并且有值为53%，之后随升压级数的增大而减小；当α=0.05时，升压效率同样随升压倍数增大而增大，并且峰值会延后，效率可达68%。

　　由此可见，在PMOS电荷泵电路中，寄生电容的选取在很大程度上将决定电荷泵升压效率的峰值大小，寄生电容越小，升压效率越高。

　　随着RFID技术的广泛应用，低功耗设计变得越来越重要。本文通过对RFID标签中EEPROM存储器中电荷泵的理论分析后，提出了PMOS型DC-DC电荷泵电路能够消除原NMOS电荷泵产生的体效应，选择合适的升压级数，可使电荷泵电路的功耗化，并提高转换效率。