提高串型接口的NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)頻率的設(shè)計方法

孫麗莉

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲器的設(shè)計方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計方法采用對Memory存儲器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿足的電壓的目的，從而提高了存儲器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時此設(shè)計方法取消了數(shù)據(jù)讀取過程中不必要的對寄生電容的充電和放電過程，降低了對電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競爭力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類號：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線比較簡單，地址是從一條數(shù)據(jù)線上依次從高位到低位隨著時鐘串行輸入，每次只傳送一個bit的數(shù)據(jù)。此類產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計對NOR Flash Memory的性能要求也越來越高，特別是對它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲器單元共有五個端口，包括Gate柵端（G端，接字線WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲器存的儲單元在讀取數(shù)據(jù)時，字線WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時的狀態(tài)和對它不作任何操作時的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線WL端電壓的建立時間是提高Flash存儲器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲器讀取時所需要的字線WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計的Flash存儲器內(nèi)部的電壓泵電路來提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時間內(nèi)把高壓打起來，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線WL端。通常Flash 存儲器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線WL端時，所經(jīng)過路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對地址選中的字線WL充電的同時，往往也會對這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來就增加了對WL的充電時間，而這個充電時間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲器從電壓泵到字線WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線WL路徑的繞線電容等。一般來說，對于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個模塊有沒有被選中，當(dāng)存儲器讀取數(shù)據(jù)時，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時只選中SEC0～SECN中的一個）。當(dāng)某一個模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線WL的繞線電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對于字線WL的繞線電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對非選中字線WL路徑的充電過程是電荷浪費(fèi)的過程，會導(dǎo)致存儲器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對字線WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲器讀取數(shù)據(jù)的時序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時鐘結(jié)束，這個時鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時間為J個時鐘的時間。

有的時候為了節(jié)省時間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會采用在地址沒有完全準(zhǔn)備好之前就開始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線WL就會被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開始后，就會有非選中的字線WL到選中的字線WL的切換。這個切換的過程包含了對非選中的字線WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對選中的字線WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過程中，當(dāng)非選中字線WL從高電壓到低電壓切換時，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競爭，字線WL的充電時是通過MP1對于字線WL提供的上拉電流，字線WL的放電時則是通過MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對字線WL下拉放電的同時還存在著MP1對字線WL的上拉充電，這樣的情況會加大字線WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會有切換不過來的可能性，同時還會延長切換的時間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線WL電壓切換帶來的問題，設(shè)計一種新的字線WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開始之前，斷開電壓泵到所有的選中路徑的開關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來。Flash 存儲器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會先輸入進(jìn)來，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開關(guān)A，開始對相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開B開關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開關(guān)，對選中的WL的繞線電容充電，因為這部分繞線電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線WL可以在很短的時間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時間內(nèi)，字線WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計方法和一般的設(shè)計方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對所需充電的電容選擇在正確的時間段才開始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開始對整個路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計方法把地址輸入期間所有的時間都利用了起來，而且在N+M+K個時鐘和N+M+K+J個時鐘之間時間內(nèi)只需對選中的字線WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時間得到了提高，在相同的時鐘數(shù)的條件下，時鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計方法通過對寄生電容在不同時間段的充電，使選中的字線WL能在較短的時間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時所需的電壓，又由于電壓泵被打起來的時候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開關(guān)打開，所以不存在從選中到非選中的切換過程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯字線WL的可能性。

此設(shè)計方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲器的設(shè)計中，也可以應(yīng)用在其它類似的集成電路設(shè)計上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時間不足和改善功耗消耗過大的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲器的設(shè)計方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計方法采用對Memory存儲器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿足的電壓的目的，從而提高了存儲器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時此設(shè)計方法取消了數(shù)據(jù)讀取過程中不必要的對寄生電容的充電和放電過程，降低了對電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競爭力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類號：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線比較簡單，地址是從一條數(shù)據(jù)線上依次從高位到低位隨著時鐘串行輸入，每次只傳送一個bit的數(shù)據(jù)。此類產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計對NOR Flash Memory的性能要求也越來越高，特別是對它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲器單元共有五個端口，包括Gate柵端（G端，接字線WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲器存的儲單元在讀取數(shù)據(jù)時，字線WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時的狀態(tài)和對它不作任何操作時的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線WL端電壓的建立時間是提高Flash存儲器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲器讀取時所需要的字線WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計的Flash存儲器內(nèi)部的電壓泵電路來提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時間內(nèi)把高壓打起來，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線WL端。通常Flash 存儲器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線WL端時，所經(jīng)過路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對地址選中的字線WL充電的同時，往往也會對這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來就增加了對WL的充電時間，而這個充電時間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲器從電壓泵到字線WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線WL路徑的繞線電容等。一般來說，對于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個模塊有沒有被選中，當(dāng)存儲器讀取數(shù)據(jù)時，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時只選中SEC0～SECN中的一個）。當(dāng)某一個模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線WL的繞線電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對于字線WL的繞線電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對非選中字線WL路徑的充電過程是電荷浪費(fèi)的過程，會導(dǎo)致存儲器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對字線WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲器讀取數(shù)據(jù)的時序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時鐘結(jié)束，這個時鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時間為J個時鐘的時間。

有的時候為了節(jié)省時間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會采用在地址沒有完全準(zhǔn)備好之前就開始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線WL就會被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開始后，就會有非選中的字線WL到選中的字線WL的切換。這個切換的過程包含了對非選中的字線WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對選中的字線WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過程中，當(dāng)非選中字線WL從高電壓到低電壓切換時，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競爭，字線WL的充電時是通過MP1對于字線WL提供的上拉電流，字線WL的放電時則是通過MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對字線WL下拉放電的同時還存在著MP1對字線WL的上拉充電，這樣的情況會加大字線WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會有切換不過來的可能性，同時還會延長切換的時間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線WL電壓切換帶來的問題，設(shè)計一種新的字線WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開始之前，斷開電壓泵到所有的選中路徑的開關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來。Flash 存儲器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會先輸入進(jìn)來，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開關(guān)A，開始對相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開B開關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開關(guān)，對選中的WL的繞線電容充電，因為這部分繞線電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線WL可以在很短的時間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時間內(nèi)，字線WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計方法和一般的設(shè)計方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對所需充電的電容選擇在正確的時間段才開始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開始對整個路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計方法把地址輸入期間所有的時間都利用了起來，而且在N+M+K個時鐘和N+M+K+J個時鐘之間時間內(nèi)只需對選中的字線WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時間得到了提高，在相同的時鐘數(shù)的條件下，時鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計方法通過對寄生電容在不同時間段的充電，使選中的字線WL能在較短的時間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時所需的電壓，又由于電壓泵被打起來的時候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開關(guān)打開，所以不存在從選中到非選中的切換過程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯字線WL的可能性。

此設(shè)計方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲器的設(shè)計中，也可以應(yīng)用在其它類似的集成電路設(shè)計上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時間不足和改善功耗消耗過大的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint

摘 要：本文介紹了一種新的Flash Memory快閃存儲器的設(shè)計方法，運(yùn)用該方法可以有效地提高串型接口NOR Flash Memory讀取數(shù)據(jù)的頻率。這種設(shè)計方法采用對Memory存儲器中的寄生電容用輸入地址進(jìn)行控制，使其在不同的時間段進(jìn)行充電，達(dá)到Flash Memory讀取數(shù)據(jù)所需的電壓可以在很短的時間內(nèi)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)所要求滿足的電壓的目的，從而提高了存儲器數(shù)據(jù)讀取的速度。同時此設(shè)計方法取消了數(shù)據(jù)讀取過程中不必要的對寄生電容的充電和放電過程，降低了對電源的功耗，有效提升產(chǎn)品的競爭力。

關(guān)鍵詞：串行接口 Memory 讀取數(shù)據(jù)頻率 電源的消耗

中圖分類號：TP333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0033-02

Flash Memory有兩大類型：NAND型和NOR型。NAND型Flash Memory具有容量大，擦寫速度快的特點(diǎn)。NOR型Flash Memory具有快速讀取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，但它的擦寫速度要比NAND型Flash Memory慢。如果按接口分類，NOR Flash Memory又可以分為串行接口和并行接口兩種。串行接口的NOR Flash Memory數(shù)據(jù)地址線比較簡單，地址是從一條數(shù)據(jù)線上依次從高位到低位隨著時鐘串行輸入，每次只傳送一個bit的數(shù)據(jù)。此類產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、DVD播放機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等多媒體數(shù)碼產(chǎn)品。

隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的設(shè)計對NOR Flash Memory的性能要求也越來越高，特別是對它的讀取數(shù)據(jù)的速度要求的不斷提高。未來NOR型Flash Memory的發(fā)展趨勢將向高速度、高容量、低功耗等方向發(fā)展。對于串行接口的NOR Flash Memory而言，現(xiàn)今市場上出現(xiàn)的產(chǎn)品最快頻率可以大于100MHz。另外，由于很多電子產(chǎn)品都是工作在低電壓電源的條件下，這就要求在不增加功耗的基礎(chǔ)上去提高Flash Memory的讀取速度。

Flash Memory讀取數(shù)據(jù)是否正確，取決于Flash Memory單元的工作條件。Flash存儲器單元共有五個端口，包括Gate柵端（G端，接字線WL），Drain漏端（D端），Source源端（S端），P阱（PWI端），N阱（NWD端），如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用電路中，以一個電源電壓3 V的Flash Memory工作條件為例，存儲器存的儲單元在讀取數(shù)據(jù)時，字線WL（word line）端的電壓需要高于此3 V的電源電壓，大約在4～5 V之間或者更高，存儲單元的漏端Drain的電壓為1 V左右，源端Source接地，阱PWI端接地，阱NWD在Memory讀取數(shù)據(jù)時的狀態(tài)和對它不作任何操作時的狀態(tài)一樣，接電源電壓，因此，加快字線WL端電壓的建立時間是提高Flash存儲器讀取速度的關(guān)鍵。由于存儲器讀取時所需要的字線WL電壓一般要高于電源提供的3 V電壓，此電壓是由所設(shè)計的Flash存儲器內(nèi)部的電壓泵電路來提供，這就需要電壓泵要能夠在很短的時間內(nèi)把高壓打起來，并且能夠很快地把此高壓傳送到字線WL端。通常Flash 存儲器，由于容量大小的不同，電壓泵端的電壓到達(dá)字線WL端時，所經(jīng)過路徑上看到的寄生電容的大小是不一樣的，在對地址選中的字線WL充電的同時，往往也會對這些寄生電容進(jìn)行充電，這樣一來就增加了對WL的充電時間，而這個充電時間直接影響了Memory的最大工作頻率。

Flash存儲器從電壓泵到字線WL端的電容分布即電壓泵補(bǔ)充電荷的路徑在設(shè)計中常規(guī)做法如圖2所示。假設(shè)存儲器的WL端電容先被分成N+1模塊，這里用SEC0，SEC1……SECN表示。 現(xiàn)在以SEC0模塊為例，那么它的充電路徑里的電容包含了P 阱電容，MOS Junction電容以及被地址所選中字線WL路徑的繞線電容等。一般來說，對于SEC0～SECN模塊的P阱電容和MOS Junction電容，不管這個模塊有沒有被選中，當(dāng)存儲器讀取數(shù)據(jù)時，這些電容都屬于電壓泵充電的電容范疇。而選中路徑的WL繞線電容只有在其所屬的模塊SEC選中的情況下才需要充電（每次讀取數(shù)據(jù)時只選中SEC0～SECN中的一個）。當(dāng)某一個模塊SEC被選中后，選中路徑上又包含選中的字線WL端和未被選中的WL端寄生電容。每一條字線WL路徑的寄生電容也同樣分為P阱電容，MOS Junction電容和字線WL的繞線電容。這些P阱電容，MOS的Junction電容不管Memory有沒有選中，都需電壓泵充電。實(shí)際上，對于字線WL的繞線電容，只有在被選中的情況下才需要充電，對非選中字線WL路徑的充電過程是電荷浪費(fèi)的過程，會導(dǎo)致存儲器功耗的增加。

串行接口的NOR型Flash Memory，由于其地址是由時鐘控制串行輸入的，一般需要所有地址都輸入完畢后才開始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作，電壓泵要把電壓打到讀取數(shù)據(jù)所需的電壓，然后對字線WL路徑上的寄生電容充電，使其達(dá)到理想的電壓值。串行接口的NOR型FLASH存儲器讀取數(shù)據(jù)的時序如圖3所示。假設(shè)地址全部輸入是在第N+M+K時鐘結(jié)束，這個時鐘就是讀取數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)是在第N+M+K+J時鐘，也就是用于讀取數(shù)據(jù)的時間為J個時鐘的時間。

有的時候為了節(jié)省時間，提高數(shù)據(jù)輸出的速度，會采用在地址沒有完全準(zhǔn)備好之前就開始打電壓泵的辦法，那么就有可能有一條非選中的字線WL就會被充電到高壓。然后在數(shù)據(jù)讀取操作開始后，就會有非選中的字線WL到選中的字線WL的切換。這個切換的過程包含了對非選中的字線WL的相關(guān)路徑寄生電容的放電和對選中的字線WL的相關(guān)路徑進(jìn)行的充電。切換電路為如圖4所示的電路，在切換的過程中，當(dāng)非選中字線WL從高電壓到低電壓切換時，PMOS MP1和NMOS MN1之間就可能存在競爭，字線WL的充電時是通過MP1對于字線WL提供的上拉電流，字線WL的放電時則是通過MN1提供的下拉電流。PWR電壓是由電壓泵提供的高于供電電源的電壓，當(dāng)PMOS的SOURCE端的電壓PWR比較高，則它的VGS就大，在MN1對字線WL下拉放電的同時還存在著MP1對字線WL的上拉充電，這樣的情況會加大字線WL從選中到非選中切換的難度。而且不僅會有切換不過來的可能性，同時還會延長切換的時間，耗費(fèi)很多的電壓泵能量。電壓泵則需更多的時間去補(bǔ)充這部分消耗的電荷，從而影響了數(shù)據(jù)讀取時所需的電壓大小，也就影響了數(shù)據(jù)讀取速度，還增加了芯片的功耗。

為了解決上述字線WL電壓切換帶來的問題，設(shè)計一種新的字線WL方向的充電路徑的方法，增加了電壓泵到各充電路徑的控制開關(guān)A0～AN、B0～BN以及W0～WN，控制開關(guān)分布。此方法是在數(shù)據(jù)讀取開始之前，斷開電壓泵到所有的選中路徑的開關(guān)A0～AN。第一步電壓泵先打起來。Flash 存儲器的高位地址（SEC0～SECN的選擇地址）會先輸入進(jìn)來，當(dāng)高位的SEC0～SECn地址準(zhǔn)備好后，打開電壓泵到選中的SEC的相應(yīng)控制開關(guān)A，開始對相關(guān)的P阱電容、MOS的Junction電容以及模塊SEC選中路徑的繞線電容進(jìn)行充電。接著當(dāng)?shù)臀蛔志€WL的地址完全準(zhǔn)備好后，打開B開關(guān)和選中的WL相應(yīng)的W開關(guān)，對選中的WL的繞線電容充電，因為這部分繞線電容只占總電容的很小比例，所以選中的字線WL可以在很短的時間內(nèi)就能達(dá)到所需的電壓，從而保證了字線WL地址在準(zhǔn)備好后的很短時間內(nèi)，字線WL可以被充電到所需的理想電壓，保證數(shù)據(jù)可以很快的被正確的讀出。

新的設(shè)計方法和一般的設(shè)計方法相比，有很多改進(jìn)的地方：它對所需充電的電容選擇在正確的時間段才開始去充電，這樣做可以減少電壓泵的能量損失。其次一般的設(shè)計方法是需要所有的地址都準(zhǔn)備好后才開始對整個路徑進(jìn)行充電，而新的設(shè)計方法把地址輸入期間所有的時間都利用了起來，而且在N+M+K個時鐘和N+M+K+J個時鐘之間時間內(nèi)只需對選中的字線WL進(jìn)行充電，由于充電路徑減少，充電的時間得到了提高，在相同的時鐘數(shù)的條件下，時鐘的周期可以很短，達(dá)到最終提高讀取數(shù)據(jù)的頻率的目的。這種設(shè)計方法通過對寄生電容在不同時間段的充電，使選中的字線WL能在較短的時間內(nèi)更快地被充電達(dá)到讀取數(shù)據(jù)時所需的電壓，又由于電壓泵被打起來的時候，電壓泵到所有可能選中的寄生電容的路徑都處于斷開狀態(tài)，等到地址分別準(zhǔn)備好后才把相應(yīng)選中路徑的開關(guān)打開，所以不存在從選中到非選中的切換過程，既節(jié)省了電源的消耗，又消除了選錯字線WL的可能性。

此設(shè)計方法不僅可以應(yīng)用在串行Flash存儲器的設(shè)計中，也可以應(yīng)用在其它類似的集成電路設(shè)計上，以解決芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取時間不足和改善功耗消耗過大的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 拉扎維（Razavi. B.）.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，譯.4版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2005：338-341.endprint