应用于物联网的微功耗大容量EEPROM的设计与实现

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近年来,物联网发展势头强劲,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮,得到了全球各界科研人员的广泛关注。存储器作为物联网芯片的主要模块,其性能水平直接决定物联网芯片的市场前景。EEPROM结构存储器作为物联网存储器的主流选择,其存在着成本高,功耗大,存储容量小等缺点。为此,本文旨在设计一款应用于物联网的微功耗大容量EEPROM存储器有重要意义。本文在规划EEPROM整体结构时,为尽可能地降低功耗,采用了多电源分时分区供电的方案;为保证其可靠性,采用了块—子块—子子块的存储单元阵列结构;为规避存储单元之间的相互干扰,采用了各子子块分别加dummy管的版图布局方式。此外,本文还对包括高压电荷泵、灵敏放大器和译码电路等在内的存储器外围电路进行了优化设计:针对传统Dickson电荷泵功耗高、漏电大、能量转换效率低等问题,本文中的高压电荷泵采用了基于Dickson电荷泵的CTS电荷泵。针对传统CTS电荷泵上电峰值电流过高易导致芯片操作失败的问题,提出了一种分频+延时的驱动时钟机制,相对传统CTS电荷泵上电峰值电流下降了200μA左右。针对传统灵敏放大器功耗大和结构复杂的问题,本文采用了一种新型预充电结构,该结构利用存储单元放电速度进行数据检测,避免了参考电流和直流通路的存在,有效降低了功耗。由于所需的存储器容量较大,因此易产生译码电路结构复杂、芯片面积大、功耗大等问题,本文采用了分步搭建译码电路的方式,并将译码电路分成4部分,同一时刻电源只对工作的译码电路供电,从而有效减少了版图面积,降低了电路功耗。本文采用SMIC 0.18μm EEPROM 2P4M工艺,完成了一款应用于物联网的微功耗大容量的EEPROM的电路设计及版图全定制设计,并在cadence软件平台上进行了前后仿真验证。后仿真结果显示:该存储电路存储容量64K bits,最大读平均电流为6μA,最大写平均电流为30μA,版图面积为0.925μm~2,电路各方面性能达到设计指标要求。测试结果表明,本文所设计的存储器芯片具备正常读写功能,在-17℃~65℃温度范围内可保持稳定。本文所提出的电荷泵上电峰值电流抑制技术使电源电压仅下拉0.5V左右。
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