UHF RFID低壓高效電荷泵的分析與設(shè)計

（西南交通大學(xué) 微電子研究所，四川 成都 611756）

UHF RFID低壓高效電荷泵的分析與設(shè)計

向姝蓉，馮全源，向乾尹

（西南交通大學(xué) 微電子研究所，四川 成都 611756）

為使電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）更好地適用于無源超高頻射頻識別（UHF RFID）芯片，提出了一種低壓高效電荷泵電路的設(shè)計方案。利用附加晶體管切換電路中 MOS管的襯底電壓，增加自舉晶體管對柵極充電，該設(shè)計方案可消除體效應(yīng)對閾值電壓的影響，有效抑制反向漏電流。綜合分析電路的影響因素后，折中設(shè)計給出合適的設(shè)計參數(shù)。采用SMIC 0.18 μm EEPROM工藝、利用Hspice仿真驗證，在輸入電壓1.5 V時，13級電荷泵輸出電壓可高達18 V，保證了UHF RFID芯片良好性能的實現(xiàn)。

電荷泵；體效應(yīng)；漏電流；低壓；UHF RFID；EEPROM

射頻識別（Radio Frequency Identification-RFID）技術(shù)因具有非接觸、準(zhǔn)確度高、保密性好等優(yōu)點迅速發(fā)展，成為支持物聯(lián)網(wǎng)最重要的技術(shù)之一[1]。其中無源UHF RFID標(biāo)簽由于成本較低、閱讀距離可達10 m左右，在零售行業(yè)、倉儲物流、防偽等物品身份識別領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。作為標(biāo)簽信息載體的EEPROM在寫入數(shù)據(jù)時功耗較大，成為制約標(biāo)簽寫入狀態(tài)距離的核心因素之一。

EEPROM 存儲器采用浮柵結(jié)構(gòu)，利用F-N(Fowler-Nordheim)隧穿效應(yīng)改變浮柵上的電荷量，從而實現(xiàn)對存儲單元的擦寫[3]。F-N隧穿效應(yīng)的產(chǎn)生需要十幾伏的高壓，然而低功耗標(biāo)簽芯片電源電壓常常低至1.5 V或是更低，因此低壓高效能的電荷泵電路在存儲器芯片中扮演著極其重要的角色。

目前提出的電荷泵變形電路，都是基于傳統(tǒng)Dickson電荷泵的基本原理。在低成本的單阱工藝中，通常采用二極管連接的NMOS管實現(xiàn)Dickson電荷泵中的二極管功能。MOS管的閾值電壓即為二極管的壓降，但在電路實際工作中該值并不為定值?？紤]到襯偏效應(yīng)的影響，閾值電壓為[4]：

式中：Vth0為源襯電壓VSB=0時的閾值電壓；γ 為體效應(yīng)系數(shù)；φF為費米電勢。

結(jié)合式(1)分析，MOS管源襯電壓VSB的升高，使閾值電壓Vth不斷升高。Vth的升高導(dǎo)致輸出電壓降低，電荷泵的效率降低。因此，襯偏效應(yīng)的存在嚴(yán)重影響了電荷泵的性能。

為消除襯偏效應(yīng)對電路帶來的影響，用 PMOS管代替 NMOS管的電路相繼被提出。單阱工藝中NMOS管的襯底必須接地，VSB隨著電荷泵級數(shù)的增加不斷增大，從而導(dǎo)致襯偏效應(yīng)愈加明顯；而PMOS做在阱中，襯底可以獨立連接從而消除襯偏效應(yīng)。

文獻[5]引入柵交叉耦合的PMOS管來選擇相鄰兩級的高電位作PMOS管的襯底電壓，從而消除襯底偏置效應(yīng)帶來的影響。但傳輸管的開啟或關(guān)斷不徹底會造成電荷傳輸不完全和電荷回流，從而影響電荷泵的效率。

文獻[6]采用P型襯底浮空MOS管，使襯底電壓跟隨傳輸管的源極電位變化，增加升壓電容和自舉晶體管提升傳輸晶體管的柵極電壓，利用四相時鐘驅(qū)動。但襯底浮空時存在寄生二極管導(dǎo)通的可能性，從而存在發(fā)生閂鎖效應(yīng)的隱患。針對以上問題，本文提出了一種低壓高效電荷泵電路的設(shè)計方案。利用附加晶體管切換電路中MOS管的襯底電壓，增加自舉晶體管對柵極充電，該設(shè)計方案可消除體效應(yīng)對閾值電壓的影響，有效抑制反向漏電流。

1 電路設(shè)計與分析

本文所采用的電荷泵結(jié)合前兩者的結(jié)構(gòu)特點，利用附加晶體管Mci、Mdi對傳輸管Mti的襯底電壓進行切換，增加自舉晶體管Msi對傳輸管Mti的柵極充電，使其關(guān)斷得更徹底，防止電荷回流，圖1為其相鄰兩級結(jié)構(gòu)以及四個時鐘的相位關(guān)系圖。

圖1 四相位柵交叉耦合電荷泵Fig.1 Four-phase gate cross-coupling charge pump

電荷泵有兩個基本操作過程：一是預(yù)充電，clk1為低，升壓電容Cpi使Vi點電壓降低，之后clk2升高，Cp(i–1)、Cp(i+1)使Vi-1、Vi+1點電壓升高，Msi關(guān)斷，Ms(i+1)導(dǎo)通，Mt(i+1)的柵極被充電；二是電荷傳輸，clk3降低，Mti導(dǎo)通，電荷從Vi–1傳輸?shù)絍i，此時clk4為高，Mt(i+1)管柵電壓升高從而截止。當(dāng)傳輸達到穩(wěn)態(tài)后，clk3先變高，其次clk2、clk1、clk4相繼反相，電路反復(fù)預(yù)充電、電荷傳輸過程。

通過對電路工作過程的分析，在電荷泵的一個工作周期內(nèi)，相鄰兩級的附加晶體管 Mc、Md隨著時鐘信號 clk1、clk2的變化交叉導(dǎo)通，使得任意時鐘相位下所有PMOS晶體管的襯底電壓都處于高電平。該電路消除了襯底偏置效應(yīng)的影響、有效抑制了反向漏電流，提高了電荷泵的工作效率。

該電荷泵的輸出電壓為：

式中：Vdd為輸入電壓；Vclk為時鐘振幅；Cb為柵自舉電容；Cp為升壓電容；Io為MOS管導(dǎo)通電流；Ron為其導(dǎo)通電阻；Iout為輸出電流；Cs為寄生電容；f為時鐘頻率；N為電荷泵級數(shù)。

在最小功耗情況下，電荷泵級數(shù)為[7]：

式中：α為寄生電容與升壓電容的比值。式(3)表明，在最小功耗情況下，電荷泵級數(shù)N只與升壓倍數(shù)K(K=Vout/Vdd)和寄生電容與升壓電容的比值α有關(guān)。N與K的關(guān)系見圖2。

在圖2中，α一定時，電荷泵級數(shù)N與升壓倍數(shù)K幾乎是呈線性關(guān)系。K較小時，N與α的聯(lián)系較弱，但隨著K的升高，α對N的影響也增大。

圖2 升壓倍數(shù)與電荷泵級數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Boost multiplier and charge pump series

電荷泵的效率定義為[7]：

根據(jù)式(4)對其中變量關(guān)系進行分析，可得圖 3所示關(guān)系圖。理想情況（α= 0）下，η與K成正比；而實際情況（α≠ 0）中，通過改變電路的其他影響因素可使效率隨升壓倍數(shù)變化，但電荷泵效率在最大值后會隨升壓倍數(shù)增加而減小。

圖3 電荷泵效率與升壓倍數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Relationship of charge pump efficiency and boost multiple

2 電路仿真與實現(xiàn)

2.1 電路參數(shù)設(shè)計

將文獻[5]、[6]以及本文電荷泵電路均采用SMIC 0.18 μm EEPROM工藝實現(xiàn)，并在Hspice下仿真分析。時鐘振幅與電源電壓保持一致，電路中所對應(yīng)的管子尺寸相同如表1。

表1 電荷泵各MOS管寬長值Tab.1 Values of charge pump MOS tube width and length

在圖4中，電源電壓與時鐘頻率的增大都會造成輸出電壓的升高。

圖5為三種電荷泵結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨電荷泵級數(shù)、升壓電容的變化情況。隨著電荷泵級數(shù)與升壓電容的增加，輸出電壓越高。

從式（2）可以看出，輸出電壓的主要影響因素為：電源電壓Vdd、電荷泵級數(shù)N、時鐘頻率f以及寄生電容與升壓電容的比值α。

根據(jù)圖4、5可發(fā)現(xiàn)，輸出電壓主要受電荷泵級數(shù)N、升壓電容Cp以及電源電壓Vdd的影響，與時鐘頻率f依賴關(guān)系較弱，但在實際設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各因素對電路的影響，進行折中設(shè)計。

圖4 電源電壓與輸出電壓關(guān)系圖Fig.4 Relationship of power supply voltage and output voltage

圖5 電荷泵級數(shù)與輸出電壓關(guān)系圖Fig.5 Relationship of charge pump series and output voltage

2.2 電路仿真

無源UHF RFID標(biāo)簽芯片的低壓低功耗設(shè)計中，為了降低芯片能量閾值，可通過降低電路工作電壓來實現(xiàn)。但在既定輸出高壓要求下，電源電壓的降低會造成升壓倍數(shù)的增大、電荷泵的級數(shù)增加。時鐘頻率的增大會造成輸出電壓的增大，在設(shè)計時應(yīng)考慮到時鐘頻率過高會造成開關(guān)導(dǎo)通電阻的增大、過低會影響電荷泵的升壓速度。實際設(shè)計電路時考慮到電路中其他寄生電容的影響，給電路留出足夠的裕度將α取得偏大（α= 0.25）。

在綜合考慮了以上因素后，取適用于UHF RFID芯片的四相位柵交叉耦合電荷泵設(shè)計參數(shù):電源電壓1.5 V、時鐘頻率為5 MHz，升壓電容Cp取3 pF，自舉電容Cb取100 fF，負(fù)載電容25 pF。

鑒于SMIC工藝要求，確定輸出電壓為16 V，因此根據(jù)式(3)可得最小功耗情況下電荷泵級數(shù)為13級。電荷泵工作時的負(fù)載電流主要由FN隧穿電流和襯底漏電流組成，要求其輸出電流小于1 μA左右才能滿足電路設(shè)計[8]。因此本文取負(fù)載電阻40 MΩ保證負(fù)載電流絕對小于1 μA，滿足設(shè)計要求。

圖6為在上述相同參數(shù)下，三種電荷泵結(jié)構(gòu)輸出電壓隨電路負(fù)載電流的變化情況。

圖6 輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系圖Fig.6 Relationship of output voltage and load resistance

圖7為三種電荷泵結(jié)構(gòu)在上述相同參數(shù)設(shè)定情況下的時域仿真圖，本文所設(shè)計電荷泵的升壓能力與升壓速度明顯優(yōu)于另外兩種電荷泵結(jié)構(gòu)。柵交叉耦合電荷泵結(jié)構(gòu)的輸出電壓有明顯的波動，用于存儲單元的擦寫時會對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性帶來影響。

圖7 電荷泵時域仿真圖Fig.7 Relationship of charge pump time domain simulation

表 2為本文所設(shè)計的電荷泵電路與其他文獻中電荷泵電路的性能比較。文獻[9]、[10]中的電荷泵電路采用的時鐘頻率較大、電源電壓過高；文獻[11]中電荷泵電路的平均每級增益較低，說明電路的升壓能力有限、效率不高。因此本文所設(shè)計的電荷泵電路在低壓、高效率方面具有一定的優(yōu)勢。

表2 電荷泵性能比較Tab.2 Comparison of charge pump performance

3 總結(jié)

本文分析了三種全PMOS的電荷泵電路，綜合考慮電路的影響因素、對仿真結(jié)果進行分析。四相位柵交叉耦合電荷泵結(jié)構(gòu)較好地實現(xiàn)了襯偏效應(yīng)的消除、傳輸管的關(guān)斷更徹底，具有更高的升壓能力與更優(yōu)的性能，能夠更好地適用于UHF RFID標(biāo)簽芯片。在tt、ff、ss三種工藝角下，高壓輸出分別為18.89，19.19，18.02 V，能夠很好地實現(xiàn)EEPROM的高壓編程。所以在電源電壓一定、要求高壓輸出的情況下，本文所設(shè)計的電荷泵電路可以減少電荷泵級數(shù)，減小芯片面積，降低電路功耗。

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Analysis and design of low voltage and high efficiency charge pump in UHF RFID

XIANG Shurong, FENG Quanyuan, XIANG Qianyin
(Institute of Microelectronics, The Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

In order to make the EEPROM memory better suitable for passive UHF RFID chips, this paper presented a low voltage and high efficiency charge pump circuit design scheme. This design scheme could eliminate the influence of the body effect on threshold voltage, and effectively suppressed the reverse leakage current by using additional transistors to switch the circuit MOS transistor substrate voltage, increased the bootstrap transistor to the gate charge. After analyzing the influencing factors of the circuit, the compromise design gave the appropriate design parameters. Using SMIC 0.18 μm EEPROM process and Hspice simulation verification, when the input voltage is 1.5 V, 13 class charge pump output voltage is up to 18 V. UHF RFID chip is ensured to have good performance.

charge pump; body effect; leakage current; low voltage; UHF RFID; EEPROM

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.016

TN43

A

1001-2028（2018）01-0084-04

國家自然科學(xué)基金重點項目資助（61531016）；四川省科技支撐計劃重點項目資助（2016GZ0059; 2017GZ0110）

2017-09-25

馮全源

馮全源（1963－），男，江西景德鎮(zhèn)人，教授，主要研究數(shù)字、模擬、射頻與混合信號集成電路設(shè)計等；

向姝蓉（1993－），女，重慶人，研究生，研究方向為模擬集成電路、RFID存儲電路設(shè)計；向乾尹（1982－），男，四川彭州人，講師，主要從事射頻集成電路、可重構(gòu)射頻技術(shù)等。

（編輯：陳渝生）