Bachelor's Thesis

Design and implementation of the cross-coupled charge pump in EEPROM memories

Final Thesis 5.25 MB

Author of thesis: Tomáš Grünwald

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Abstract:

This thesis is devoted to the process of designing a cross-coupled charge pump for the purposes of providing a set voltage. Additionally, the charge pump system is supplemented with a discharge mechanic, which enables the pump to have lower power requirements. As a proof of concept, simulation results are added in the appendix, describing the pump's behavior in imperfect conditions. The resulting circuit is designed for applications in low-power systems. This thesis discusses the challenges associated with integrating the selected charge pump topology. A proposed layout of the system is commented and shown in the appendix.

Keywords:

Charge pump, cross-coupled charge pump, Pelliconi charge pump, switched-capacitor converter, low-voltage applications, low-power applications, EEPROM, discharge asymmetry, reversion losses, level shifter, SCR, latch-up in charge pumps, bulk biasing, ONO capacitors, charge pump integration.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své bakalářské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Předpokládá se, že následující obvody mají minimální požadovaný odběr? Student uvedl, že odběr je větší než minimální.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Microelectronics

Study programme

Microelectronics and Technology (BPC-MET)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. (člen)
Ing. Martin Šťáva, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Alexandr Knápek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D.

Student si vybral zajímavé téma z praxe od společnosti ASICentrum Praha. Byl tedy veden externím firemním konzultantem, jehož posudek je v příloze. Student každopádně pracoval velmi samostatně, na konzultace docházel připraven. Po odborné stránce splnil zadání beze zbytku a včas. Vše popsal logicky a chronologicky do bakalářské práce. Na základě uvedených skutečností a podle doporučení konzultanta navrhuji hodnocení A. Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 2,63 MB

Reviewer’s report
doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Uvedená bakalářská práce se zabývá návrhem nábojové pumpy na tranzistorové úrovni ve 110 nm CMOS technologii.
V teoretickém úvodu je dostatečně popsán princip nábojové pumpy včetně hlavních nedostatků, které je potřeba při návrhu zohledňovat nebo je kompenzovat. Dále jsou zde dostatečně popsány základní typy pump včetně matematických vztahů se zdůrazněním, proč byla vybrána cross-coupled Pelliconiho topologie a jaké jsou její výhody.

Po formální stránce nemám k práci zásadní výhrady. Menší výhrady mám pouze k velikosti popisků signálů ve schématech, které jsou příliš malé.

Praktická stránka je stručná, ale pro tuto konkrétní problematiku dostatečná. Ačkoliv je výsledný obvod na první pohled jednoduchý, bylo potřeba se do hloubky zabývat parazitními vlastnostmi použitých součástek. U návrhu mi chybí výpočet a rozměry navržených tranzistorů. Navržený obvod byl ověřen simulacemi na vytvořeném schématu obsahujícím součástky v typickém procesu. Zde by bylo vhodné obvod charakterizovat s ohledem na globální i lokální rozptyl procesu nebo také provést simulace na post-layout modelu obvodu s extrahovanými parazitními kapacitami a odpory.

Celkově se jedná o kvalitní bakalářskou práci, kterou hodnotím A/90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Máte představu, jaký vliv na výsledné parametry bude mít globální a lokální rozptyl procesu?
  2. Jak jste počítal rozměry tranzistorů? Uveďte na příkladu jednoho bloku nábojové pumpy (obr. 2.3).
  3. V kapitole 2.3 popisujete nestabilní chování pumpy bez připojené zátěže, způsobené asymetrií vybíjení obou větví a zesilované kladnou zpětnou vazbou. Jakým obvodovým řešením byste tomuto stavu předešel, aby byla pumpa použitelná i bez zátěže, případně jak byste výstupní napětí pumpy reguloval?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová