- 電流靈敏放大器的基本結構
- 新型電流靈敏放大器的異同點(diǎn)
- 通過(guò)一個(gè)反相器實(shí)現對預充電電路的關(guān)閉
- 第二級放大器為反相器鏈
隨著(zhù)便攜式電子設備(PDA、射頻卡、GPS等)的廣泛應用，半導體存儲器得到了長(cháng)足的發(fā)展。半導體存儲器的性能將直接影響到系統在速度等方面的性能。因此，設計能夠高速存儲的存儲器便成為當今集成電路設計的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
存儲器的速度主要決定于存儲器的讀取時(shí)間。存儲器的讀取時(shí)間主要是指從地址信號的輸入到數據信號的輸出所經(jīng)歷的延遲時(shí)間，一般由地址輸入緩沖器、譯碼器、存儲單元、靈敏放大器、輸出緩沖器的延遲時(shí)間共同決定。因此，要減少存儲器的讀取時(shí)間，一般有兩種途徑：一是，減少從地址信號輸入到字線(xiàn)選通的延時(shí)，由于內部譯碼器等電路相對固定的形式，用這種方法減少延時(shí)是比較有限的；另一種是減少從字線(xiàn)選通到數據輸出所經(jīng)歷的延時(shí)，這可以通過(guò)改進(jìn)靈敏放大器的設計來(lái)實(shí)現?？梢?jiàn)，高性能靈敏放大器的設計對于存儲器性能改進(jìn)是至關(guān)重要的。
靈敏放大器的工作目的是通過(guò)放大位線(xiàn)上微小信號的變化而讀取存儲單元中的數據。一般可以分為電流型靈敏放大器和電壓型靈敏放大器兩種。由于電流靈敏放大器直接探測輸入電流的變化，可以克服電壓型靈敏放大器速度較慢、低工作電壓下小信號電壓增益減少等缺陷，因此電流靈敏放大器受到越來(lái)越多的關(guān)注。
與一般的靈敏放大器一樣，電流靈敏放大器的工作可以分為兩個(gè)過(guò)程：一是，預充電過(guò)程，即對位線(xiàn)(BitLine)的寄生電容進(jìn)行充電，使之恢復到高電平，為下一次讀寫(xiě)作準備；二是放大過(guò)程，即對位線(xiàn)信號進(jìn)行放大處理，以讀取存儲單元所存儲的數據。本文就是在這兩個(gè)過(guò)程的基礎上，設計出一種新型的電流靈敏放大器。該放大器采用的預充電電路能夠在較長(cháng)時(shí)間內(預充電周期以?xún)?保持充電電流處于一個(gè)較大值，這樣可以減少預充電時(shí)間；同時(shí)采用兩級放大電路對位線(xiàn)信號進(jìn)行放大，以確保增益、速度達到要求。
電流靈敏放大器的基本結構
其中：Ic是存儲單元的電流；Ir是參考電流；REF是輸出節點(diǎn)；Ibias是電路偏置電流。Ic由存儲單元所存儲的信息決定，當存儲信息為“1”時(shí)，Ic為大電流；當存儲信息為“0”時(shí)Ic為小電流；Ir的值介于Ic的大、小電流之間。REF節點(diǎn)輸出電壓為：
式中：rout為輸出節點(diǎn)REF處的小信號電阻。當Ic≥Ir時(shí)，M2將處于截止區，輸出端的電壓將上拉到電源電壓VDD；Ic≤Ir時(shí)，M2將處于線(xiàn)性區，輸出端的值將接近于0V。
新型電流靈敏放大器
電流靈敏放大器結構簡(jiǎn)單，但也存在諸多不足之處，如電源電壓不能足夠低、預充電電流較小、擺率較低等。對此，文獻[7]提出一種自控恒流預充電電路以提高電路讀取速度，這一電路的好處在于通過(guò)一個(gè)反相器實(shí)現對預充電電路的關(guān)閉，從而確保位線(xiàn)電壓不至于太高而影響存儲信息。但是通過(guò)仿真發(fā)現，去掉預充電結構中的反相器后，通過(guò)適當調整充電電路晶體管參數，在位線(xiàn)電壓不影響存儲信息情況下同樣能達到較快的讀取速度。在此基礎上，采用GSMC0.18μm工藝設計出一種新型電流靈敏放大器，見(jiàn)圖2。
在該電路中，M3，M4，M7，M8，M9以及電流源Ibiasl共同構成預充電電路。其中M7，M8，M9和Ibiasl主要用來(lái)產(chǎn)生M3的柵極偏壓VREF；M3，M4和M5為鏡像結構，用來(lái)產(chǎn)生預充電電流。Ic和C1的并聯(lián)結構用模擬存儲單元，這種方式能有效地模擬存儲單元，同時(shí)也提高了仿真效率，其中Ic是讀取時(shí)存儲單元的電流，C1是位線(xiàn)寄生電容。M10，M11，M12，M13和Ibias2，Ibias3構成兩級放大器中的第一級，是一個(gè)差分放大器。差分放大器的輸入信號分別是REF節點(diǎn)和BL節點(diǎn)處的電壓。該差分放大器采用一折疊鏡像負載，在不增加電源電壓情況下可以有效的提高增益。第二級放大器為反相器鏈。這種反相器鏈式結構的功能也可以用單個(gè)反相器實(shí)現，但是采用單個(gè)反相器會(huì )導致較大的尺寸，從而使寄生電容顯著(zhù)增大從而降低速度。在綜合考慮面積、速度等因素之后，這種鏈式結構更具有優(yōu)勢。[page]
電路仿真結果
圖2中，當存儲單元中存儲信息為“1”時(shí)，Ic為13μA；存儲單元中存儲信息為“0”時(shí)，Ic=6μA。Ir為參考電流，其值介于6μA和13μA之間，設定為10.5μA。設定C1為1pF，Ibias1=Ibias2=Ibias3=16μA(見(jiàn)文獻[6])。采用上海宏力0.18μm工藝在HSpice下進(jìn)行仿真。
圖3為靈敏放大器在1.8V電源電壓和室溫條件下對存儲信息“1”放大的仿真圖形，其中橫坐標是時(shí)間，縱坐標是輸出節點(diǎn)Sout處的電壓。從仿真結果可以看出，在室溫(27℃)下讀取“1”的響應時(shí)間為13ns(在本文中，所有的仿真都是從0ns開(kāi)始啟動(dòng)的)，輸出電壓為電源電壓，擺率也比較大。這說(shuō)明該電流靈敏放大器在室溫情況下能快速準確地讀取存儲信息“1”。
圖4為靈敏放大器在1.8V電源電壓在室溫條件下對存儲信息“0”放大的仿真圖形。從仿真結果可以看出，輸出電壓有微小的變化，但是在整個(gè)過(guò)程中輸出電壓都低于0.1V，都在低電平范圍內。這說(shuō)明該電流靈敏放大器在室溫情況下能對存儲信息“0”進(jìn)行可靠讀取。
表1是該電流靈敏放大器在不同電源電壓和環(huán)境溫度下的讀取時(shí)間。從表1中可以看出在較低電源電壓和惡劣環(huán)境下該電流靈敏放大器仍然有比較好的性能。表1還把本文的電流靈敏放大器的仿真結果與參考文獻[6]所仿真的結果進(jìn)行了對比，可以看出在本文所設計的電流靈敏放大器在某些情況下有更快的讀取速度。
在深亞微米工藝條件下設計了一種新型電流靈敏放大器，該電流靈敏放大器的優(yōu)勢在于響應速度快，并且可以在較低電源電壓和惡劣環(huán)境下正常工作。一方面，是因為采用的預充電電路能在較長(cháng)時(shí)間內保持預充電電流處于一個(gè)較大值，這可以縮短預充電時(shí)間；另一方面是由于采用了兩級放大電路對信號進(jìn)行放大，這可以在不增加電源電壓情況下顯著(zhù)提高速度和增益。
