基于65nm浮栅工艺NOR flash存储器驱动电路设计

摘要

Flash存储器是主流的非易失型存储器，对其进行编程和擦除需要对存储单元各端施加不同的高压。电荷泵电路由于面积小，不需要使用电感成为了片上升压电路的首选。为加快对存储器的编程和擦除，电荷泵的充电速度是一个关注的重点;而为确保编程操作的准确度，抑制电荷泵的纹波也是一个重要的问题。
　　本文根据NOR Flash存储器的应用需求，设计完成了NOR Flash存储器的字线驱动电路和位线驱动电路，此外设计了一款片上温度检测电路。本文主要工作以及创新点如下:
　　1、对理想电荷泵进行了simulink仿真，和电荷泵的经典模型进行了比较和印证，利用电荷泵的模型分析了电荷泵的最优级数。
　　2、设计了字线驱动电路，包括编程正高压电荷泵调节电路和擦除负高压电荷泵调节电路，分别产生10V正高压和-9V负高压，采用SKIP模式以获得较高的效率。总结了Dickson电荷泵的纹波特性，对SKIP模式的纹波进行了分析，论证了SKIP模式下电荷泵纹波和上升时间的关系，对两者进行了优化和折中。设计了电荷泵的振荡器、四相时钟生成器、电平移位器和带隙基准电路。
　　3、设计了一种新型宽负载纹波抑制位线驱动电路，在负载电流为0.1mA到1mA范围内产生3.6V正高压。电荷泵分为3路并联，采用SKIP模式和频率调节模式混合的调节电路。特点是复用误差放大器，将两级放大器的第一级用作比较器。轻载时产生控制信号关闭2路电荷泵，运放第二级输出实现频率调节。为区分中载和重载，2路电荷泵中一路电荷泵的控制信号由迟滞反相器提供，利用其双门槛特性和另一路电荷泵区分开来。为在轻载时保证同样的纹波性能，对电容驱动器实行连续调节。在很宽的负载电流变化下实现了纹波抑制。
　　4、设计了温度检测电路，利用带隙基准电路中的PTAT电流和电阻串联产生PTAT电压，并用ADC将转为3位数字输出。
　　电路设计基于XMC65nm浮栅工艺，电源电压为1.8V，使用CadenceSpectre进行仿真。在标准工艺角下，字线驱动电路中正电荷泵负载电容为10pF，输出电压为10V，上升时间为307ns，输出纹波约为154mV，功耗为413uW;字线驱动电路中负电荷泵负载电容为20pF，稳定后输出电压为-9V，输上升时间为1.69us，输出纹波约为35mV，功耗为651uW;位线驱动电路负载电容为20pF，输出电压为3.6V，轻载（负载电流100uA）时，上升时间为86ns，纹波为232mV;重载(负载电流1mA)时，上升时间为134ns，纹波为201mV，重载时效率为59％。核心版图面积为0.268mm2。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．1．1 Flash存储器的发展趋势

1．1．2 NOR Flash存储器的工作原理

1．1．3 片上升压电路在NOR Flash存储器中的作用

1．2 论文主要工作和结构

第2章 电荷泵拓扑和建模

2．1 电压功率变换器简介

2．2 电荷传输原理

2．3 电荷泵拓扑简介

2．3．1 CockCroft-Walton电荷泵

2．3．2 串并联电荷泵

2．3．3 Dickson电荷泵

2．3．4 电荷泵拓扑比较

2．4 晶体管级Dickson电荷泵简介

2．4．1 CTS电荷泵

2．4．2 四相时钟电荷泵

2．4．3 交叉耦合电荷泵

2．4．4 三种电路的对比

2．5 Dickson电荷泵动态分析

2．5．1 Dickson模型

2．5．2 Palumbo迭代模型

2．5．3 Tanzawa模型

2．5．4 理想电荷泵的simulink仿真

2．5．5 电荷泵上升时间关于级数的优化分析

2．6 电荷泵的非理想特征

2．7 本章小结

第3章 电荷泵调节电路简介

3．1 电平检测稳压电路

3．2 LDO稳压电路

3．3 SKIP模式稳压电路

3．4 频率调节模式稳压电路

3．5 本章小结

第4章 字线驱动电路设计

4．1 字线驱动电路的要求

4．2 编程正高压电荷泵设计

4．2．1 调节电路架构选择

4．2．2 电荷泵设计

4．2．3 电荷泵调节器设计

4．3 擦除负高压电荷泵设计

4．3．1 调节电路架构选择

4．3．2 电荷泵设计

4．3．3 电荷泵调节器设计

4．4 正负电荷泵共用电路设计

4．4．1 振荡器

4．4．2 四相时钟生成

4．4．3 电平移位器

4．4．4 带隙基准

4．5 正负电荷泵联合仿真

4．5．1 正电荷泵联合仿真

4．5．2 负电荷泵联合仿真

4．6 本章小结

第5章 位线驱动电路设计

5．1 位线驱动电路的要求

5．2 SKIP模式在阻性负载下的纹波分析

5．3 频率调节模式下的纹波分析

5．4 宽负载纹波抑制位线驱动电路

5．4．1 纹波抑制技术最新进展

5．4．2 本文电路结构

5．5 电路设计与仿真结果

5．5．1 电荷泵设计

5．5．2 压控振荡器

5．5．3 仿真结果

5．6 本章小结

第6章 温度检测电路

6．1 温度检测电路整体结构

6．2 温度检测电路各模块电路设计

6．2．1 PTAT电压模块

6．2．2 Flash型ADC

6．3 联合仿真

6．4 本章小结

第7章 电路版图设计和后仿

7．1 版图设计原则

7．1．1 电源线宽原则

7．1．2 匹配原则

7．1．3 减小噪声的办法

7．1．4 可靠性设计

7．1．5 整体版图

7．2 后仿和比较

7．2．1 字线驱动电路后仿真

7．2．2 位线驱动电路

7．3 本章小结

第8章 总结和展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果