应用于NORFlash的快速低功耗字线驱动电路

应用于nor flash的快速低功耗字线驱动电路
技术领域
1.本发明涉及半导体存储器技术领域，尤其涉及一种应用于nor flash的快速低功耗字线驱动电路。


背景技术：

2.存储器近年来持续作为全球半导体行业收入最佳的器件类别而备受关注。nor（或非）flash作为快闪存储器类别中的一种，因其较快的存取速度而被广泛地应用于汽车电子、智能穿戴、手机屏显、物联网等领域，尤其是在一些需要车规级认证的高可靠存储芯片领域，nor flash的价值不可替代。
3.flash存储器的读、写、擦操作都需要在各端口施加多种不同的操作电压，而存储器外部只提供统一的电源电压，所以芯片内部需要一个升压电路。
4.由于nor flash具有快速存取的特点，所以字线电压需要升压电路快速建立才得以满足；而输出电压的纹波对于负载来说也是一种噪声的表现，纹波较大会使得负载电路无法正常工作，对于flash器件来说，较大的电压纹波会影响到存储单元的擦除和编程，使得浮栅晶体管的阈值电压偏离预期值，从而导致数据存取出现错误。
5.nor flash 除了需要满足其各项操作的电荷泵升压系统外，还需要满足在快速随机读取时间的前提下保持所需电压并降低芯片功耗特殊要求，这是nor flash 待机模式下需要解决的问题。
6.对于传统的字线驱动电路来说，其工作模式和待机模式都采用同一种类型电荷泵类型和同一种类型的稳压系统来实现。事实上，两种模式下对字线驱动电路的要求是不同的：工作模式下，需要实现快速升压且低纹波稳定的输出电压用于存储器的读、写、擦除操作；待机模式下，需要实现在保持所需电压并且实现低功耗。传统的字线驱动电路在工作模式下所采用的电荷泵类型和稳压系统在需要满足更高的电路性能要求时显得十分困难，并且在待机模式下待机功耗较高。


技术实现要素：

7.为了使得字线驱动电路在工作模式和待机模式下都实现较高的性能指标要求，本发明的目的是提供应用于nor flash的快速低功耗字线驱动电路。
8.一种应用于nor flash的快速低功耗字线驱动电路，包括工作模式和待机模式两种模式；所述的工作模式下的电路包括：工作模式电荷泵功率级，包括交叉耦合电荷泵，用于产生高压；动态频率调制稳压电路，依次包括压控振荡器、非交叠时钟产生电路模块、误差放大器ea以及电阻分压器r1、r2，用于将电荷泵产生的高压在所有的pvt(工艺、电压、温度)下稳定且低纹波地输出；超低功耗电压基准源，为误差放大器ea提供基准电压vref；
nmos器件m1，作为开关管受信号act_en控制用于工作模式触发； nmos器件m5，能和负载电容cout形成低通滤波器，用于有效地抑制输出电压纹波；所述的待机模式下的电路包括：待机模式电荷泵功率级，包括dickson电荷泵，用于产生高压；skip调制稳压电路，依次包括电流饥饿型振荡器、非交叠时钟产生电路、迟滞比较器、减法计数器、反相器模块、或非门、电容分压器和电容分压器c1、c2连接点vd的刷新电路，用于维持待机模式下的输出电压；超低功耗电压基准源，用于为迟滞比较器com提供基准电压vref，并且为电流饥饿型振荡器提供偏置电压vbias；nmos器件m2，作为开关管受到信号act_enb地控制用于待机模式触发；所述的减法计数器计数用于控制每次待机模式下电荷泵的充电时间，在减法计数器计数到0之前持续工作以避免输出电压出现过冲；所述的反相器模块包括反相器inv1~inv3，inv1和inv2用于将迟滞比较器com的输出信号进行整流，inv3用于将减法器的输出信号反相生成enpd信号；所述的或非门用于在信号enpd和信号act_en的控制下产生待机模式使能信号stb_en来控制电流饥饿型振荡器和dickson电荷泵；所述的电容c1、c2连接点vd的刷新电路，依次包括受使能信号act_en控制的nmos器件m3、受使能信号act_enb控制的pmos器件m4、电阻r3和r4，用于为连接点vd提供初始电压，并在两种模式切换时对连接点vd进行刷新。
9.所述的工作模式下的交叉耦合电荷泵，设有预充管来优化上升时间和衬底调制管用来抑制反向泄漏电流。
10.所述的超低功耗电压基准源采用了无电阻的全mos管结构，用处于深三极管区域的nmos器件代替电阻，其余mos器件都处于亚阈值区域，从而实现nw级的功耗。
11.所述的待机模式电路中的电流饥饿型振荡器、迟滞比较器中的mos器件都工作在亚阈值区，静态功耗较低，静态电流在na级。
12.所述的nmos器件m5是以二极管方式连接，并且采用低阈值电压的nmos器件以减小输出电压的阈值电压损失。
13.所述的pmos器件、nmos器件、mos器件、开关mos管均为金属氧化物半导体mos晶体管。
14.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：在工作模式下，采用了具有纹波小、效率高，且适合于低压工艺的交叉耦合电荷泵作为电荷泵功率级，还在原有交叉耦合电荷泵结构的基础上添加了预充管和衬底调制管分别用来优化上升时间和抑制反向泄漏电流；同时采用了纹波小、效率高且设计复杂度较高的动态频率调制稳压电路来实现输出电压在不同pvt（工艺、电压、温度）下稳定输出。
15.在待机模式下，仍采用结构简单、功耗低、但效率较低的dickson电荷泵作为电荷泵功率级；同时采用结构简单的skip调制稳压电路来稳定输出电压，通过减法计数器计数去控制每次待机模式下电荷泵的充电时间避免过冲。此外，待机模式下的迟滞比较器、电流饥饿型振荡器中的mos器件均处于亚阈值区域，还将作为反馈网络的传统电阻分压器用电容分压器来代替，通过以上措施来进一步地减小待机功耗。
附图说明
16.图1是传统的字线驱动电路示意图。
17.图2是本发明中的快速低功耗字线驱动电路示意图。
18.图3是本发明中字线驱动器系统的时序波形示意图。
19.图4是本发明中工作模式下采用的经过优化后的单级交叉耦合电荷泵电路结构示意图。
20.图5是本发明中的字线驱动电路在工作模式下的spectre模拟瞬态仿真结果示意图。
21.图6是本发明中字线驱动电路在待机模式下的spectre模拟瞬态仿真结果示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但是所做实例不作为对本发明的限制。
23.如附图1所示的是传统的字线电压驱动电路示意图，工作模式下的电路包括dickson电荷泵、环形振荡器、比较器和小电阻r1、r2（k欧姆级）构成的电阻分压器；待机模式下的电路包括dickson电荷泵、环形振荡器、比较器、锁存器和计数器以及大电阻r3、r4（m欧姆级）构成的电阻分压器，此外，一个高阻的低功耗电压基准源持续为两种模式提供基准电压。可见，两种模式都采用了dickson电荷泵作为电荷泵功率级和skip调制稳压电路来稳定输出电压，此外两种模式都采用了电阻分压器作为稳压电路中的反馈网络。
24.传统的字线驱动电路存在的缺点在于两种模式均采用同一种电荷泵类型和同一种稳压系统，不能更好地满足两种模式不同的性能需求。对工作模式而言，由于dickson电荷泵具有阈值电压损失较大导致的升压效率低的缺点，而skip调制稳压电路具有纹波大的缺点，所以两种电路结构使得字线电压的快速建立和低纹波输出难以实现；并且待机模式下仍然采用电阻分压器会产生额外的静态功耗且响应速度较慢，此外，采用高阻电压基准源作为基准电路还会使芯片面积利用率降低。
25.如附图2所示是本发明中的快速低功耗字线驱动电路示意图。包括工作模式和待机模式两种模式；所述的工作模式下的电路包括：工作模式电荷泵功率级，包括交叉耦合电荷泵，用于产生高压；动态频率调制稳压电路，依次包括压控振荡器、非交叠时钟产生电路模块、误差放大器ea以及电阻分压器r1、r2，用于将电荷泵产生的高压在所有的pvt(工艺、电压、温度)下稳定且低纹波地输出；超低功耗电压基准源，为误差放大器ea提供基准电压vref；nmos器件m1，作为开关管受信号act_en控制用于工作模式触发；事实上，第一级交叉耦合电荷泵，压控振荡器等模块中都存在被信号act_en及其反相信号act_enb控制的开关mos管用于两种模式地转换；nmos器件m5，能和负载电容cout形成低通滤波器，用于有效地抑制输出电压纹波。
26.所述的待机模式下的电路包括：待机模式电荷泵功率级，包括dickson电荷泵，用于产生高压；skip调制稳压电路，依次包括电流饥饿型振荡器、非交叠时钟产生电路、迟滞比较
器、减法计数器、反相器模块、或非门、电容分压器和电容分压器c1、c2连接点vd的刷新电路，用于维持待机模式下的输出电压；超低功耗电压基准源，用于为迟滞比较器com提供基准电压vref，并且为电流饥饿型振荡器提供偏置电压vbias；nmos器件m2，作为开关管受到信号act_enb地控制用于待机模式触发；事实上，第一级dickson电荷泵，电流饥饿型振荡器等模块中都存在被信号stb_en控制的开关mos管用于两种模式地转换。
27.所述的减法计数器计数用于控制每次待机模式下电荷泵的充电时间，在减法计数器计数到0之前持续工作以避免输出电压出现过冲。
28.所述的反相器模块包括反相器inv1~inv3，inv1和inv2用于将迟滞比较器com的输出信号进行整流，inv3用于将减法器的输出信号反相生成enpd信号。
29.所述的或非门用于在信号enpd和信号act_en的控制下产生待机模式使能信号stb_en来控制电流饥饿型振荡器和dickson电荷泵。
30.所述的电容c1、c2连接点vd的刷新电路，依次包括受使能信号act_en控制的nmos器件m3、受使能信号act_enb控制的pmos器件m4、电阻r3和r4，用于为连接点vd提供初始电压，并在两种模式切换时对连接点vd进行刷新。
31.与传统字线驱动电路相同的是同样也包括了工作模式和待机模式两种模式，不同点在于：本发明中的字线驱动电路将传统电路中工作模式中的dickson电荷泵由经过结构优化后的交叉耦合电荷泵来代替，将skip调制稳压电路替换为动态频率调制稳压电路；由于字线驱动电路开始工作时输出电压要进行少许回落，所以待机模式下的输出电压不需要特别精确等特点，本发明依旧采用传统字线驱动电路中的dickson电荷泵作为电荷泵功率级，skip调制稳压电路来稳定输出电压，还将待机模式下skip调制稳压电路中的电阻分压器由电容分压器所取代以降低待机功耗且提高反馈环路的响应时间；此外，将传统电路中高电阻的低功耗电压基准源替换成了一种全mos管的超低功耗电压基准源，提高了芯片面积利用率，同时还在电压输出位置增加了以二极管方式连接的nmos器件，对输出电压纹波进一步优化。
32.下面对两种模式的实施方法进行介绍：当字线驱动电路处于工作模式时，三级交叉耦合电荷泵快速升压，当电荷泵刚充电时，输出电压较低，经过电阻分压器r1、r2检测后，得到的反馈电压vfb小于基准电压vref，则误差放大器ea的输出vctrl将趋于饱和使得压控振荡器产生高频时钟信号act_clk，那么电荷泵充电将加快并迅速稳定至目标字线电压。在字线电压vwl输出位置还添加了以二极管方式连接的nmos器件m5，其与输出负载电容cout构成了低通滤波器能够进一步地优化输出电压纹波。
33.当字线驱动电路进入待机模式。六级dickson电荷泵开始充电，当输出电压通过电容分压器检测得到vd点电压小于基准电压vref时，迟滞比较器com输出高电平，经过两级反相器inv1和inv2整流后产生信号enp触发减法计数器记数，经过反相器inv3后产生信号enpd，信号enpd与信号act_en经过或非门后产生的使能信号stb_en将开启电流饥饿型振荡器产生低频时钟stb_clk驱动电荷泵，电荷泵在减法计数器计数到0之前将持续工作。
34.待机模式电荷泵充电结束后，信号stb_en恢复为低电平，dickson电荷泵和电流饥
饿型振荡器停止工作，但是由于输出电压vwl处不可避免地存在漏电流将导致输出电压下降，所以电容分压器c1、c2，迟滞比较器等构成的电压检测器还需要继续工作检测输出电压，一旦检测到输出电压下降低于目标值，待机模式使能信号stb_en将再一次翻转为高电平使得电荷泵和振荡器开始工作。我们注意到，待机模式下需要一个对电容c1、c2连接点vd进行刷新电路，其包括受使能信号act_en控制的nmos器件m3、受使能信号act_enb控制的pmos器件m4、电阻r3和r4，此电路用于为连接点vd提供初始电压，并在两种模式切换时对连接点vd进行刷新。
35.如附图3是本发明中字线驱动电路系统的时序波形示意图，当电路处于工作模式时，act_en信号为高电平，act_enb信号和stb_en信号均为低电平，此时工作模式下的压控振荡器开始高频振荡，产生时钟信号act_clk对交叉耦合电荷泵进行充电，使得输出电压快速上升并稳定至目标电压vout_r，输出电压经过纹波优化后产生字线电压vwl。
36.当电路处于待机模式时，信号act_en为低电平，信号act_enb持续为高电平，在待机模式1情况下，stb_en信号变为高电平将开启待机模式下的电流饥饿型振荡器和dickson电荷泵，将输出电压抬高至一个略微高于目标电压的值；在待机模式2时，待机模式下的振荡器和电荷泵不工作，通过迟滞比较器和电容分压器等形成的电压检测器持续检测输出电压是否低于目标电压值从而再一次进入待机模式1去抬高输出电压。
37.如附图4所示是本发明中工作模式下采用的经过优化后的单级交叉耦合电荷泵结构示意图。开关管nmos器件mn1、mn2和pmos器件mp1和mp2在两反相时钟信号的驱动下交替导通为泵电容c1、c2充电以实现输出电压vout抬升；此外，在原有结构的基础上增加了以二极管方式连接的nmos器件mn3、mn4作为预充管优化输出电压上升时间，还增加了pmos器件mp10、mp20使得mp1、mp2的衬底电位始终处于高电平从而抑制了反向泄漏电流来进一步提升泵效率。
38.如附图5所示是本发明中的字线驱动电路在工作模式下的spectre模拟瞬态仿真结果示意图，工作模式下act_en信号为高电平，act_enb信号和stb_en信号为低电平，此时工作模式下的压控振荡器开始高频振荡，产生高频时钟信号act_clk来驱动交叉耦合电荷泵，从而使得输出电压快速上升至目标电压vout_r，输出电压经过纹波优化后产生字线电压vwl。
39.如附图6所示是本发明中字线驱动电路在待机模式下的spectre模拟瞬态仿真结果示意图。信号act_en为低电平，信号act_enb持续为高电平，当信号stb_en变为高电平将开启待机模式下的电流饥饿型振荡器产生低频时钟信号stb_clk来驱动dickson电荷泵，电荷泵在减法计数器计数到0之前将持续工作，将输出电压抬高至一个略微高于目标电压的值；当信号stb_en为低电平时待机模式下的振荡器和电荷泵不工作，通过比较器和电容分压器等形成的电压检测器持续检测输出电压是否低于目标电压值从而再一次开启振荡器和电荷泵。同时，由于在整个待机模式下，电流饥饿型振荡器、dickson电荷泵、减法计数器等模块需要工作的时间相较于整个待机模式持续的时间很少，所以待机模式下的平均功耗主要来源于电路静态功耗。又由于采用了电容分压器避免了一部分静态功耗，所以待机模式整体平均待机功耗有了明显下降。
40.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的
前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。