一種使電荷泵輸出電壓具有多種溫度系數(shù)的電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種CMOS模擬電路，特別是涉及一種使電荷栗輸出電壓具有多種溫度 系數(shù)的電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 電荷栗是用于產(chǎn)生比電源電壓更高的電壓值的電路。它的基本工作原理是利用電 容器兩端電壓降不能突變而只能連續(xù)變化的情況下，通過在電容器一端加階躍信號，則另 一端電壓會被抬高相應(yīng)階躍壓差值，再通過一些具有時間先后的控制開關(guān)來導(dǎo)通或關(guān)斷鏈 路使得電壓抬高的過程持續(xù)變化，這樣一個比電源電壓更高的電壓值就產(chǎn)生了。然而這樣 的一個電壓值或許不是一個需要的理想的電壓值，特別是在各工藝角(MOSFET corners)、 寬溫度范圍(-40 °C~120 °C)以及電壓變化下，電荷栗輸出電壓變化較大。
[0003] 為了在各種情況下仍然能得到比較穩(wěn)定的輸出電壓(Vout)，設(shè)計者常常將電荷栗 放在一個類似低壓差線性穩(wěn)壓器(Low DropOut voltage regulator，LD0)的負反饋環(huán)路 中，構(gòu)成電荷栗穩(wěn)壓電路，如圖1所示，典型具有環(huán)路控制的電荷栗電路結(jié)構(gòu)包括電壓分壓 電路10、比較器20、穩(wěn)壓器30、振蕩器40、電荷栗50以及濾波電容Cp，其中振蕩器(0SC)40用 來給電荷栗提供時鐘Pclk，濾波電容Cp用于祛除電荷栗輸出Vout的毛刺，電壓分壓電路10 通常由電阻網(wǎng)絡(luò)組成，用于將電荷栗輸出的高壓Vout分壓為較低電壓Vdivider，比較器 ( C〇mparat〇r)20為常用電路(未示出其電源和其他必要電路），用于將電荷栗輸出電壓的分 壓Vdivider與基準(zhǔn)電壓(reference voltage)Vref進行比較并將誤差電壓Petr 1輸出至穩(wěn) 壓器的輸入端，穩(wěn)壓器30為常用電路（圖中Vcd為其電源），用于將誤差電壓Vpctrl進行調(diào)整 并將穩(wěn)壓器輸出Vneg輸出至電荷栗50的輸入端，電荷栗50-般為形如圖2所示的多級結(jié)構(gòu)， 從而調(diào)整電荷栗電路的一些參數(shù)，使得輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)期的范圍內(nèi)，圖2中，該電荷栗具 有偶數(shù)級（圖示為四級）升壓電路結(jié)構(gòu)，其中？通？111^2、？1^3和?1^4分別為電荷栗第 一、第二、第三和第四級升壓電路;VDD為電源電壓;Vintreg為輸入電壓，Pclk為電荷栗必需 的時鐘信號。
[0004] 閃存存儲器(flash memory)中存儲單元的擦除（erase )、寫入(program)和讀出 (read)操作都需要用到高于電源電壓的高壓(high voltage)，一般在存儲器內(nèi)集成一個或 數(shù)個電荷栗電路來提供該高壓。而當(dāng)溫度變化時，存儲單元所需要的操作高壓會變化，甚至 不同類操作下電壓變化量也不同。這就要求電荷栗輸出電壓具有隨溫度變化而變化的特 點，即具有溫度系數(shù)，甚至具有多種溫度系數(shù)值以適應(yīng)溫度變化時，不同操作模式下所需操 作電壓。
[0005] 一種較理想的方法是將具有溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓(reference voltage)Vref加于 比較器(comparator) 20的差分輸入端。比較器20比較電荷栗輸出電壓分壓值Vdivider和基 準(zhǔn)電壓Vref，此時Vdivider為：
[0007]其中a/ (a+b)為分壓系數(shù)，a和b為實數(shù)。
[0008] 高增益的比較器非常靈敏，在基準(zhǔn)電壓(Vref)隨溫度的微小變化下，比較器輸出 電壓Vpctrl隨之變化。
[0009] Vpctrl =A(Vref-Vdivider) (3)
[0010] 其中A為比較器運放的開環(huán)增益。
[0011] 該電壓作用于低壓差線性穩(wěn)壓器30的調(diào)節(jié)管(regulator M0SFET)，控制著輸入電 荷栗升壓鏈路的輸入電流變化：
[0012] Iintreg = _gm*Vpctrl (4)
[0013]其中g(shù)m為調(diào)節(jié)管的跨導(dǎo)。
[0014]由于該管子常工作于線性區(qū)，故gm的值為如下：
[0016] 其中W/1為調(diào)節(jié)管的寬長比，u為電荷迀移率(這里為p型M0SFET，則為空穴的迀移 率），Cox為柵氧化層的電容值，Vds為調(diào)節(jié)管的漏源電壓差。
[0017] 該電流值是電荷栗的輸入，在電源電壓及時鐘輸入一定的情況下，電荷栗輸出電 壓大小的調(diào)節(jié)只有依賴該電流值。一般電流值越大，電荷栗輸出電壓值越高；電流值越小， 輸出電壓越低。
[0018] 由此電荷栗輸出
[0020] 其中a為比率因子，該值與電荷栗的電源效率有關(guān)，Rout為電荷栗的輸出電阻， Rload為電荷栗負載電阻。
[0021] 聯(lián)合以上各式可以得出，電荷栗基準(zhǔn)電壓的變化將使電荷栗輸出電壓變化，同時 這種變化反過來經(jīng)過分壓電路輸出至比較器輸入端，使得運放差分輸入差模量盡量減小， 并最終為零，使電荷栗輸出達到平衡。此時溫度補償完成。
[0022] 該種溫度補償方法將溫度調(diào)芐基于基準(zhǔn)電壓Vref，而基準(zhǔn)電壓是外接信號。因此 該電路具有溫度系數(shù)可調(diào)、精確的優(yōu)點，但缺點也明顯：需要外接具有溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電 壓，這增加了外圍電路的設(shè)計復(fù)雜度。
[0023] 另一種實現(xiàn)電荷栗輸出電壓具有溫度系數(shù)的方法是將溫度控制置于電荷栗環(huán)路 的電壓分壓電路10中。由于閃存的各操作一般需要的是具有負溫度系數(shù)的高壓（即溫度越 高，電壓越小;溫度越低，電壓值越高），而二極管(diode)的端電壓降具有負溫度系數(shù)，因此 一種簡單而有效的方法就是將具有適當(dāng)PN結(jié)面積的二極管正向偏置的接于分壓電路中，基 準(zhǔn)電壓Vref為一穩(wěn)定不隨溫度變化的電壓。如圖3所示。
[0024] 分壓電壓值為：
[0026] 其中Rdiode為二極管等效導(dǎo)通電阻。
[0027] Vdiode隨溫度的變化(溫度越高，Vdiode越小），直接反應(yīng)在Vdivider中，使得比較 器(comparator)輸出值變化，后續(xù)過程和如同之前分析。最終使得電荷栗輸出電壓Vout相 應(yīng)變化。而這種變化正好滿足等式
[0028] Vout = Vdiode+VRl+VR2 (8)
[0029] 使得系統(tǒng)進一步穩(wěn)定，最終達到：
[0031]其中β為分壓系數(shù)。
[0032] 經(jīng)過上述分析將端電壓差具有負溫度系數(shù)的二極管串聯(lián)至電荷栗的反饋環(huán)路中， 適當(dāng)調(diào)整二極管ΡΝ結(jié)面積能使電荷栗輸出具有需要的負溫度系數(shù)值的高壓。然而，該方法 仍具有如下缺點:方法單一，溫度系數(shù)變化不大且是固定的一種。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0033] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種使電荷栗輸出電壓 具有多種溫度系數(shù)的電路，通過在電荷栗的反饋回路中集成了具有多種溫度系數(shù)調(diào)節(jié)的電 路，使得電荷栗在擦除、寫入和讀出操作下的輸出電壓具有理想的溫度系數(shù)。
[0034] 為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種使電荷栗輸出電壓具有多種溫度系數(shù)的電 路，包括電壓分壓電路、比較器、穩(wěn)壓器、振蕩器、電荷栗以及濾波電容，該電壓分壓電路電 壓分壓電路通過利用開關(guān)或金屬修改項調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)的連接方式，利用金屬修改項一次性 或利用開關(guān)實時改變電荷栗的輸出電壓的溫度系數(shù)。
[0035] 進一步地，該電壓分壓電路包括：
[0036] 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于芯片封裝完畢后在控制信號的控制下改變電阻的接入狀態(tài)；
[0037] 金屬修改網(wǎng)絡(luò)，包括若干金屬修改項，用于芯片封裝前永久改變電阻的接入狀態(tài)；
[0038] 電阻網(wǎng)絡(luò)，用于按比例產(chǎn)生不同溫度系數(shù)的電荷栗輸出電壓的分壓。
[0039] 進一步地，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)至少包括金屬短接類修改項（<^11、<^13、<^15、<^17)與金 屬斷開類修改項（<^12、<^14、<^16、(^18、(^21、(^22)。
[0040] 進一步地，該電阻網(wǎng)絡(luò)至少包括第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管 (D3)、第四二極管(D4)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電阻、第四電阻(Rdl)、第五電阻(Rd2)、第六電阻(Rd3)、第 七電阻(Rd4)以及第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)，該數(shù)模轉(zhuǎn)換電阻為電荷栗 輸出電壓微調(diào)電路，其與第二電阻(R2)-起構(gòu)成電壓分壓電路之上電阻的固定值，該第三 電阻(R3)為電壓分壓電路之下電阻。
[0041] 進一步地，第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4) 依次正向級聯(lián)，第四二極管(D4)陰極接該數(shù)模轉(zhuǎn)換電阻的一端，該數(shù)模轉(zhuǎn)換電阻的另一端 接第