基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路
技术领域
本发明涉及反熔丝技术领域,尤其是一种基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路。
背景技术
MTM反熔丝型存储器件利用两层金属之间的可击穿介质进行编程来存储数据,具备天然的抗辐射性能,具有可靠性高、集成度高的优点。但是MTM反熔丝型存储器件的性能依赖于反熔丝编程后的电阻值的一致性,而反熔丝编程后的电阻值的一致性对编程高压有着高度的依赖性,目前常规的做法是由电荷泵提供编程高压,精确性难以保证,会影响性能。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求,提出了一种基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路,本发明的技术方案如下:
一种基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路,该反熔丝编程控制电路包括主电荷泵模块、若干个从电荷泵模块以及反馈网络,主电荷泵模块获取外部电压并连接各个从电荷泵模块,每个从电荷泵模块连接一个反熔丝阵列,且每个从电荷泵模块的布局位置与所连接的反熔丝阵列的布局位置不超过预定距离;
反馈网络根据每个从电荷泵模块输出给所连接的反熔丝阵列的编程电压、输出从电荷泵模块对应的反馈信号给主电荷泵模块,主电荷泵模块根据每个从电荷泵模块对应的反馈信号调节提供给从电荷泵模块的主驱动信号以稳定从电荷泵模块输出的编程电压。
其进一步的技术方案为,主电荷泵模块包括四个并联且同时工作的主电荷泵,每个主电荷泵之间的工作时钟的相位相差90°,主电荷泵模块通过四个主电荷泵提供反熔丝编程所需电流值的主驱动信号。
其进一步的技术方案为,每个主电荷泵包括依次级联的第一电压转换模块、第二电压转换模块、第三电压转换模块和第四电压转换模块,第一电压转换模块的输入端连接主电荷泵的输入端用于获取外部电压,第四电压转换模块的输出端连接主电荷泵的输出端用于输出主驱动信号;
每个电压转换模块包括NMOS管N0、N4、N8、N9、N16和N17,N8的漏极、N9的漏极和N4的漏极均相连并作为电压转换模块的输入端,N8的栅极、N9的源极、N17的栅极和N4的栅极均相连,N9的栅极、N8的源极和N16的栅极均相连,N4的源极和N0的栅极相连并作为电压转换模块的输出端,N0的漏极和源极相连并作为电压转换模块的第一时钟端;N16的漏极和源极相连并作为电压转换模块的第二时钟端,N17的漏极和源极相连并作为电压转换模块的第三时钟端;
各个电压转换模块的各个时钟端分别受控于由主电荷泵的工作时钟确定的时钟信号。
其进一步的技术方案为,每个主电荷泵根据接收到的模式控制信号工作在第一工作模式或第二工作模式;
当主电荷泵工作在第一工作模式下时,主电荷泵获取第一外部电压,相邻两个电压转换模块工作在不同的工作状态进行电压转换并输出,主电荷泵模块在内部的主电荷泵工作在第一工作模式下时输出的主驱动信号支持反熔丝按比特编程;
当主电荷泵工作在第二工作模式下时,所有电压转换模块均工作在相同的工作状态,主电荷泵将获取到的第二外部电压直接透传输出,主电荷泵模块在内部的主电荷泵工作在第二工作模式下时输出的主驱动信号支持反熔丝按字节编程;第二外部电压高于第一外部电压。
其进一步的技术方案为,当主电荷泵工作在第一工作模式下时,在主电荷泵中:
第一电压转换模块的第一时钟端和第三电压转换模块的第一时钟端均连接主电荷泵的工作时钟CLK0,第一电压转换模块的第二时钟端和第三电压转换模块的第二时钟端均连接主电荷泵的工作时钟CLK0,第一电压转换模块的第三时钟端和第三电压转换模块的第三时钟端均连接主电荷泵的第一时钟信号CLK1;
第二电压转换模块的第一时钟端和第四电压转换模块的第一时钟端均连接主电荷泵的第二时钟信号CLK2,第二电压转换模块的第二时钟端和第四电压转换模块的第二时钟端均连接主电荷泵的第二时钟信号CLK2,第二电压转换模块的第三时钟端和第四电压转换模块的第三时钟端均连接主电荷泵的第三时钟信号CLK3;
第一时钟信号CLK1和工作时钟CLK0是一对交叠时钟,第二时钟信号CLK2和第三时钟信号CLK3是一对交叠时钟,第二时钟信号CLK2和工作时钟CLK0是一对反相时钟。
其进一步的技术方案为,第二时钟信号CLK2和工作时钟CLK0是一对非交叠的反相时钟,CLK0与CLK2在上升沿和下降沿处的预定时长内同时为高电平。
其进一步的技术方案为,主电荷泵还包括或门I0和I1以及两输入选择器I2和I3,I0的一个输入端接模式控制信号UTR、另一个输入端接第二时钟信号CLK2,I0的输出端连接第二电压转换模块的第一时钟端和第四电压转换模块的第一时钟端;I1的一个输入端接模式控制信号UTR、另一个输入端接工作时钟CLK0,I1的输出端连接第一电压转换模块的第一时钟端和第三电压转换模块的第一时钟端;
第一电压转换模块的第二时钟端和第三电压转换模块的第二时钟端连接工作时钟CLK0,第一电压转换模块的第三时钟端和第三电压转换模块的第三时钟端连接第一时钟信号CLK1;
I2的第一输入端接第二时钟信号CLK2、第二输入端接工作时钟CLK0,I2的输出端连接第二电压转换模块的第二时钟端和第四电压转换模块的第二时钟端,I2的选择输入端连接模式控制信号UTR;
I3的第一输入端接第三时钟信号CLK3、第二输入端接第一时钟信号CLK1,I3的输出端连接第二电压转换模块的第三时钟端和第四电压转换模块的第三时钟端,I3的选择输入端连接模式控制信号UTR;
当模式控制信号UTR为0时,I2输出第二时钟信号CLK2,I3输出第三时钟信号CLK3,电荷泵进入第一工作模式;
当模式控制信号UTR为1时,I2输出工作时钟CLK0,I3输出第一时钟信号CLK1,电荷泵进入第二工作模式。
其进一步的技术方案为,反馈网络包括反馈电压选择模块、比较器以及分别连接在每个从电荷泵模块的输出端处的分压模块,每个分压模块输出所连接的一个从电荷泵模块的编程电压的分压信号,反馈电压选择模块包括多个输入端和一个输出端,反馈电压选择模块的各个输入端分别连接各个分压模块获取分压信号,反馈电压选择模块的输出端连接比较器的反相输入端,比较器的同相输入端连接基准电压;
反馈电压选择模块选中输出一个从电荷泵模块的编程电压的分压信号给比较器,比较器的输出端输出选中的一个从电荷泵模块的反馈信号给主电荷泵模块作为主电荷泵模块的使能信号,且主电荷泵模块高电平使能。
其进一步的技术方案为,反馈电压选择模块包括若干个选通开关管,每个选通开关管连接在一个分压模块和反馈电压选择模块的输出端之间,选通开关管受控于分压模块所连接的从电荷泵模块连接的反熔丝阵列的选择信号。
其进一步的技术方案为,每个从电荷泵模块的输入端用于连接主电荷泵模块的输出端并获取主电荷泵模块输出的主驱动信号HV_M,NMOS管MN0的漏极和NMOS管MN1的漏极相连并连接从电荷泵模块的输入端;MN0的源极连接从电荷泵模块的输出端用于输出编程电压HV_S;MN1的源极连接NMOS管MN2的漏极、MN2的栅极和NMOS管MN3的栅极,MN1的栅极连接MN0的栅极以及MN2的源极,MN3的漏极和源极相连并连接主电荷泵模块的工作时钟。
本发明的有益技术效果是:
本申请公开了一种基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路,该反熔丝编程控制电路采用主电荷泵模块和从电荷泵模块结合的结构,从电荷泵模块紧随所连接的反熔丝阵列进行布局,并利用反馈网络进行反馈,使得主电荷泵模块可以及时调节各个从电荷泵模块的编程电压,从而可以给反熔丝阵列提供精准的编程电压,有利于提高反熔丝编程后的电阻值的一致性,优化性能。
另外主电荷泵模块通过四个并联的四相位主电荷泵同时工作,保证了反熔丝编程时所需要的电流。该反熔丝编程控制电路提供双模工作模式,可以按“bit” 数据进行编程,此时不需要外部高压,编程高压完全由电路内部的主电荷泵模块和从电荷泵模块转换提供。也可以按“byte” 数据进行编程吗,此时通过主电荷泵的“透传”技术,将外部引脚提供的外部电压高压无损的传输给反熔丝进行编程,以提高编程效率,双模工作模式切换灵活,可以适用于不同的编程需要。
附图说明
图1是本申请的反熔丝编程控制电路的电路结构图。
图2是主电荷泵模块中的四个主电荷泵的工作时钟的时钟相位图。
图3是一个主电荷泵的电路结构图。
图4是一个主电荷泵中的各路时钟信号的时钟相位图。
图5是一个从电荷泵模块的电路结构图。
图6是一个实施例中的反馈网络的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于主从电荷泵结构的反熔丝编程控制电路,请参考图1,该反熔丝编程控制电路包括主电荷泵模块、若干个从电荷泵模块以及反馈网络,主电荷泵模块获取外部电压VIN并连接各个从电荷泵模块。每个从电荷泵模块分别连接一个反熔丝阵列,比如图1示出了从电荷泵0~15,分别对应连接反熔丝阵列BANK0~BANK15。比如每个反熔丝阵列为16K bits MTM 存储阵列,实际还包括字线WL和位线BL,本申请不详细描述。
反馈网络根据每个从电荷泵模块输出给所连接的反熔丝阵列的编程电压、输出该从电荷泵模块对应的反馈信号FB给主电荷泵模块,主电荷泵模块根据每个从电荷泵模块对应的反馈信号调节提供给该从电荷泵模块的主驱动信号HV_M以稳定各个从电荷泵模块输出的编程电压。在一个实施例中,反馈信号FB作为主电荷泵模块的使能信号,当主电荷泵模块接收到一个从电荷泵模块反馈的有效电平的反馈信号FB时使能工作,主电荷泵模块输出主驱动信号HV_M提供给该从电荷泵模块,该从电荷泵模块正常工作,提高编程电压;否则主电荷泵模块在无效电平的反馈信号FB下停止工作。
本申请中的从电荷泵模块采用分布式布局方式,每个从电荷泵模块的布局位置与所连接的反熔丝阵列的布局位置不超过预定距离,也即每个从电荷泵模块靠近所连接的反熔丝阵列,每个从电荷泵模块的工作时间同所连接的反熔丝阵列同步。这种布局与传统的电荷泵布局结构不一样,这种布局可以有效解决传统布局最近点和最远点的反熔丝阵列的编程电压相差较大的问题,使得所有反熔丝阵列都能够得到精确的编程电压。
反熔丝编程所需电流一般比较大,通常为8mA/bit,主电荷泵模块需要提供反熔丝编程所需电流值的主驱动信号HV_M,在一个实例中,主电荷泵模块采用现有的可以提供反熔丝编程所需电流值的主驱动信号HV_M的电路结构实现。或者在另一个实施例中,主电荷泵模块包括四个并联且同时工作的主电荷泵,主电荷泵模块通过四个主电荷泵提供反熔丝编程所需电流值的主驱动信号HV_M。在该实施例中,每个主电荷泵提供2mA@9V的驱动能力,则主电荷泵模块通过四个主电荷泵总共提供8mA@9V的驱动能力,满足反熔丝阵列的编程需求。四个主电荷泵的工作时钟分别记为CLK0[0]、CLK0[1]、CLK0[2]和CLK0[3],每个主电荷泵之间的工作时钟的相位相差90°,请参考图2,这样可以在每个360°时钟周期内都有驱动输出。
请参考图3 ,每个主电荷泵包括依次级联的第一电压转换模块、第二电压转换模块、第三电压转换模块和第四电压转换模块,第一电压转换模块的输入端连接主电荷泵的输入端用于获取外部电压VIN,第四电压转换模块的输出端连接主电荷泵的输出端用于输出主驱动信号HV_M。
四个电压转换模块的电路结构相同,以图3中虚线框内的第一电压转换模块为例,每个电压转换模块包括NMOS管N0、N4、N8、N9、N16和N17,N8的漏极、N9的漏极和N4的漏极均相连并作为电压转换模块的输入端,N8的栅极、N9的源极、N17的栅极和N4的栅极均相连,N9的栅极、N8的源极和N16的栅极均相连,N4的源极和N0的栅极相连并作为电压转换模块的输出端。N0的漏极和源极相连并作为该电压转换模块的第一时钟端,N16的漏极和源极相连并作为该电压转换模块的第二时钟端,N17的漏极和源极相连并作为该电压转换模块的第三时钟端。N8、N9、N16、N17组成电压叠加器,N0用于电荷存储,电压叠加器的目的是提高电荷传输管N4的栅端的电压,提高传输效率。且为了提高电荷泵的驱动能力,电荷泵内部各级电压转换模块均采用NMOS管实现。为了便于区分,图3对其他各个电压转换模块中的NMOS管采用其他的符号表示。
各个电压转换模块的各个时钟端分别受控于由主电荷泵的工作时钟所确定的时钟信号。本申请中的各个主电荷泵有两种工作模式:分别为第一工作模式和第二工作模式,且各个主电荷泵均工作在相同的工作模式下,使得整个主电荷泵模块也工作在该工作模式下,也即所有主电荷泵均工作于第一工作模式使得整个主电荷泵模块也工作于第一工作模式,或者,所有主电荷泵均工作于第二工作模式使得整个主电荷泵模块也工作于第二工作模式。每个主电荷泵根据接收到的模式控制信号UTR工作在第一工作模式或第二工作模式。
(1)、当主电荷泵工作在第一工作模式下时,主电荷泵获取第一外部电压,相邻两个电压转换模块工作在不同的工作状态进行电压转换并输出。主电荷泵模块在内部的主电荷泵工作在第一工作模式下时输出的主驱动信号支持反熔丝按比特编程,该第一外部电压一般是小于反熔丝编程所需电压值的电压。在一个实例中,第一外部电压为5V,主电荷泵对第一外部电压进行电压转换抬升至9.5V输出,满足反熔丝按bit编程的需要。
此时在每个主电荷泵中,第一电压转换模块的第一时钟端和第三电压转换模块的第一时钟端均连接该主电荷泵的工作时钟CLK0。第一电压转换模块的第二时钟端和第三电压转换模块的第二时钟端均连接该主电荷泵的工作时钟CLK0。第一电压转换模块的第三时钟端和第三电压转换模块的第三时钟端均连接主电荷泵的第一时钟信号CLK1。
第二电压转换模块的第一时钟端和第四电压转换模块的第一时钟端均连接主电荷泵的第二时钟信号CLK2。第二电压转换模块的第二时钟端和第四电压转换模块的第二时钟端均连接主电荷泵的第二时钟信号CLK2。第二电压转换模块的第三时钟端和第四电压转换模块的第三时钟端均连接主电荷泵的第三时钟信号CLK3。
其中,CLK1、CLK2和CLK3均由工作时钟CLK0确定,如图4所示,第一时钟信号CLK1和工作时钟CLK0是一对交叠时钟。第二时钟信号CLK2和第三时钟信号CLK3是一对交叠时钟。第二时钟信号CLK2和工作时钟CLK0是一对反相时钟。如图3和图4以主电荷泵的工作时钟为图2中的CLK0[0]为例,因此该电荷泵中的CLK0~CLK3具体写为CLK0[0]、CLK1[0]、CLK2[0]和CLK3[0]。对于图2中的CLK0[1]的主电荷泵,相应写为CLK0[1]、CLK1[1]、CLK2[1]和CLK3[1],其他以此类推。
进一步的,如图4所示,一个电荷泵中的第二时钟信号CLK2和工作时钟CLK0是一对非交叠的反相时钟,CLK0与CLK2在上升沿和下降沿处的预定时长T内同时为高电平,从而降低了电荷的损失,提高了每级电压转换模块的传输效率。
(2)、当主电荷泵工作在第二工作模式下时,所有电压转换模块均工作在相同的工作状态,主电荷泵将获取到的第二外部电压直接透传输出,主电荷泵模块在内部的主电荷泵工作在第二工作模式下时输出的主驱动信号支持反熔丝按字节编程。第二外部电压高于第一外部电压,该第二外部电压一般是等于反熔丝编程所需电压值的电压。在这种情况下,基于图3所示的结构,四级电压转换模块中的电压叠加器工作状态均相同,四个电压转换模块中用于传输电荷的电荷传输管的N4、N5、N6和N7的栅极电压都相同,为第二外部电压叠加上时钟信号的高电平电压,这样在传输第二外部电压时就没有阈值电压损失,称之为透传。比如在一个实例中,第二外部电压为9.5V,时钟信号的高电平电压为3.3V,那么N4、N5、N6和N7的栅极电压均为12.8V,在传输9.5V的第二外部电压时没有阈值电压损失,直接将外部输入的第二外部电压透传给从电荷泵模块,弥补片上的电荷泵无法实现几十mA电流的缺陷,满足反熔丝阵列的按byte编程功能,提高编程效率。
具体的,请参考图3,每个主电荷泵还包括或门I0和I1以及两输入选择器I2和I3。I0的一个输入端接模式控制信号UTR、另一个输入端接第二时钟信号CLK2,I0的输出端连接第二电压转换模块的第一时钟端和第四电压转换模块的第一时钟端。I1的一个输入端接模式控制信号UTR、另一个输入端接工作时钟CLK0,I1的输出端连接第一电压转换模块的第一时钟端和第三电压转换模块的第一时钟端。
第一电压转换模块的第二时钟端和第三电压转换模块的第二时钟端连接工作时钟CLK0,第一电压转换模块的第三时钟端和第三电压转换模块的第三时钟端连接第一时钟信号CLK1。
I2的第一输入端接第二时钟信号CLK2、第二输入端接工作时钟CLK0,I2的输出端连接第二电压转换模块的第二时钟端和第四电压转换模块的第二时钟端,I2的选择输入端连接模式控制信号UTR。
I3的第一输入端接第三时钟信号CLK3、第二输入端接第一时钟信号CLK1,I3的输出端连接第二电压转换模块的第三时钟端和第四电压转换模块的第三时钟端,I3的选择输入端连接模式控制信号UTR。
当模式控制信号UTR为0时,I2输出第二时钟信号CLK2,I3输出第三时钟信号CLK3,I0输出CLK2、I1输出CLK0,此时电荷泵进入第一工作模式。
当模式控制信号UTR为1时,I0和I1的输出恒为1,四个电压转换模块中用于电荷存储的N0、N1、N2和N3不再需要自举电压。I2输出工作时钟CLK0,I3输出第一时钟信号CLK1。使得四个电压转换模块的工作状态相同,电荷泵进入第二工作模式。
请参考图5,每个从电荷泵模块的输入端用于连接主电荷泵模块的输出端并获取主电荷泵模块输出的主驱动信号HV_M,NMOS管MN0的漏极和NMOS管MN1的漏极相连并连接该从电荷泵模块的输入端。MN0的源极连接该从电荷泵模块的输出端用于输出编程电压HV_S。MN1的源极连接NMOS管MN2的漏极、MN2的栅极和NMOS管MN3的栅极,MN1的栅极连接MN0的栅极以及MN2的源极,MN3的漏极和源极相连并连接主电荷泵模块的工作时钟。这里的主电荷泵模块的工作时钟是指主电荷泵模块中任意一个主电荷泵的工作时钟,也即可以是图2中的CLK0[0]、CLK0[1]、CLK0[2]和CLK0[3]中的任意一个,图5以连接CLK0[0]为例。
请参考图6,图6相对于图1省略了字线和位线。反馈网络包括反馈电压选择模块、比较器CMP以及分别连接在每个从电荷泵模块的输出端处的分压模块,分压模块包括串联的电阻R1和R2,该串联电路的一端连接从电荷泵模块的输出端、另一端接地,R1和R2的公共端输出所连接的一个从电荷泵模块的编程电压的分压信号VFB1~VFB15。
反馈电压选择模块包括多个输入端和一个输出端,反馈电压选择模块的各个输入端分别连接各个分压模块获取分压信号VFB1~VFB15,反馈电压选择模块的输出端连接比较器CMP的反相输入端,比较器CMP的同相输入端连接基准电压VREF。反馈电压选择模块选中输出其中一个从电荷泵模块的编程电压的分压信号给比较器。具体的,反馈电压选择模块包括若干个选通开关管,每个选通开关管连接在一个分压模块和反馈电压选择模块的输出端之间,选通开关管受控于分压模块所连接的从电荷泵模块连接的反熔丝阵列BANK0~BANK15的选择信号,由地址译码器提供。比如连接从电荷泵模块3的分压模块的开关管获取分压信号VFB3,该开关管受控于反熔丝阵列BANK3的选择信号。
比较器CMP的输出端输出选中的一个从电荷泵模块的反馈信号FB给主电荷泵模块作为主电荷泵模块的使能信号,且主电荷泵模块高电平使能。如图6这种结构,当反馈电压选择模块选中其中一个从电荷泵模块并输出的其对应的分压信号给比较器,且输出的该路分压信号低于基准电压VREF时,比较器输出高电平的反馈信号FB,使能主电荷泵模块,主电荷泵模块开始工作,使得该选中的从电荷模块输出的编程电压HV_S升高实现稳定的功能。否则比较器输出低电平的反馈信号FB。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以理解,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。