新型深亞微米電流靈敏放大器技術(shù)

隨著便攜式電子設(shè)備(PDA、射頻卡、GPS等)的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器得到了長足的發(fā)展。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能將直接影響到系統(tǒng)在速度等方面的性能。因此，設(shè)計(jì)能夠高速存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器便成為當(dāng)今集成電路設(shè)計(jì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

存儲(chǔ)器的速度主要決定于存儲(chǔ)器的讀取時(shí)間。存儲(chǔ)器的讀取時(shí)間主要是指從地址信號的輸入到數(shù)據(jù)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(chǔ)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(chǔ)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選通的延時(shí)，由于內(nèi)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選通到數(shù)據(jù)輸出所經(jīng)歷的延時(shí)，這可以通過改進(jìn)靈敏放大器的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。可見，高性能靈敏放大器的設(shè)計(jì)對于存儲(chǔ)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放大位線上微小信號的變化而讀取存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)。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)過程：一是，預(yù)充電過程，即對位線(BitLine)的寄生電容進(jìn)行充電，使之恢復(fù)到高電平，為下一次讀寫作準(zhǔn)備；二是放大過程，即對位線信號進(jìn)行放大處理，以讀取存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。本文就是在這兩個(gè)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型的電流靈敏放大器。該放大器采用的預(yù)充電電路能夠在較長時(shí)間內(nèi)(預(yù)充電周期以內(nèi))保持充電電流處于一個(gè)較大值，這樣可以減少預(yù)充電時(shí)間；同時(shí)采用兩級放大電路對位線信號進(jìn)行放大，以確保增益、速度達(dá)到要求。

1電流靈敏放大器的基本結(jié)構(gòu)

圖1所示為電流靈敏放大器基本結(jié)構(gòu)。其中：I_c是存儲(chǔ)單元的電流；I_r是參考電流；REF是輸出節(jié)點(diǎn)；I_bias是電路偏置電流。I_c由存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的信息決定，當(dāng)存儲(chǔ)信息為“1”時(shí)，I_c為大電流；當(dāng)存儲(chǔ)信息為“0”時(shí)I_c為小電流；I_r的值介于I_c的大、小電流之間。REF節(jié)點(diǎn)輸出電壓為：



式中：r_out為輸出節(jié)點(diǎn)REF處的小信號電阻。當(dāng)I_c≥I_r時(shí)，M₂將處于截止區(qū)，輸出端的電壓將上拉到電源電壓V_DD；I_c≤I_r時(shí)，M₂將處于線性區(qū)，輸出端的值將接近于0 V。

2新型電流靈敏放大器

圖1所示電流靈敏放大器結(jié)構(gòu)簡單，但也存在諸多不足之處，如電源電壓不能足夠低、預(yù)充電電流較小、擺率較低等。對此，文獻(xiàn)[7]提出一種自控恒流預(yù)充電電路以提高電路讀取速度，這一電路的好處在于通過一個(gè)反相器實(shí)現(xiàn)對預(yù)充電電路的關(guān)閉，從而確保位線電壓不至于太高而影響存儲(chǔ)信息。但是通過仿真發(fā)現(xiàn)，去掉預(yù)充電結(jié)構(gòu)中的反相器后，通過適當(dāng)調(diào)整充電電路晶體管參數(shù)，在位線電壓不影響存儲(chǔ)信息情況下同樣能達(dá)到較快的讀取速度。在此基礎(chǔ)上，采用GSMC 0.18 μm工藝設(shè)計(jì)出一種新型電流靈敏放大器，見圖2。在該電路中，M₃，M₄，M₇，M₈，M₉以及電流源Ibiasl共同構(gòu)成預(yù)充電電路。其中M₇，M₈，M₉和I_biasl主要用來產(chǎn)生M₃的柵極偏壓V_REF；M₃，M₄和M₅為鏡像結(jié)構(gòu)，用來產(chǎn)生預(yù)充電電流。I_c和C₁的并聯(lián)結(jié)構(gòu)用模擬存儲(chǔ)單元，這種方式能有效地模擬存儲(chǔ)單元，同時(shí)也提高了仿真效率，其中Ic是讀取時(shí)存儲(chǔ)單元的電流，C₁是位線寄生電容。M₁₀，M₁₁，M₁₂，M₁₃和I_bias2，I_bias3構(gòu)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(jié)點(diǎn)和BL節(jié)點(diǎn)處的電壓。該差分放大器采用一折疊鏡像負(fù)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的功能也可以用單個(gè)反相器實(shí)現(xiàn)，但是采用單個(gè)反相器會(huì)導(dǎo)致較大的尺寸，從而使寄生電容顯著增大從而降低速度。在綜合考慮面積、速度等因素之后，這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢。

3 電路仿真結(jié)果

圖2中，當(dāng)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)信息為“1”時(shí)，I_c為13 μA；存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)信息為“0”時(shí)，Ic=6 μA。Ir為參考電流，其值介于6 μA和13 μA之間，設(shè)定為10.5 μA。設(shè)定C₁為1 pF，I_bias1=I_bias2=I_bias3=16 μA(見文獻(xiàn)[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1.8 V電源電壓和室溫條件下對存儲(chǔ)信息“1”放大的仿真圖形，其中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是輸出節(jié)點(diǎn)Sout處的電壓。從仿真結(jié)果可以看出，在室溫(27℃)下讀取“1”的響應(yīng)時(shí)間為13 ns(在本文中，所有的仿真都是從0 ns開始啟動(dòng)的)，輸出電壓為電源電壓，擺率也比較大。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能快速準(zhǔn)確地讀取存儲(chǔ)信息“1”。

圖4為靈敏放大器在1.8 V電源電壓在室溫條件下對存儲(chǔ)信息“0”放大的仿真圖形。從仿真結(jié)果可以看出，輸出電壓有微小的變化，但是在整個(gè)過程中輸出電壓都低于0.1 V，都在低電平范圍內(nèi)。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能對存儲(chǔ)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(jié)果與參考文獻(xiàn)[6]所仿真的結(jié)果進(jìn)行了對比，可以看出在本文所設(shè)計(jì)的電流靈敏放大器在某些情況下有更快的讀取速度。



4 結(jié)語

在深亞微米工藝條件下設(shè)計(jì)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(yīng)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?yàn)椴捎玫念A(yù)充電電路能在較長時(shí)間內(nèi)保持預(yù)充電電流處于一個(gè)較大值，這可以縮短預(yù)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提高速度和增益。