高速低功耗電流型靈敏放大器的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一款適合在低電壓、大容量SRAM中應(yīng)用的高速低功耗電流型靈敏放大器。該電路在交叉耦合反相器之間添加了一對(duì)隔離管，有效消除了大量位線寄生電容所帶來的負(fù)面影響，從而極大提高了靈敏放大器的速度。同時(shí)，通過對(duì)時(shí)序控制電路的優(yōu)化，有效降低了放大器的功耗。采用SMIC 0．13 μm數(shù)字工藝在HSpice下進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在室溫，1．2 V工作電壓下，靈敏放大器的放大延遲僅為0．344ns，功耗為102 μW。相比文獻(xiàn)中提出的電流型靈敏放大器，速度分別提高了9．47％和31．2％，功耗則降低了64．8％與63％。
關(guān)鍵詞：電流型靈敏放大器；交叉耦合反相器；隔離管；時(shí)序控制電路

0 引言
靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM)最初作為CPU與內(nèi)存之間的緩存。近年來已廣泛應(yīng)用于高性能通信網(wǎng)絡(luò)、便攜式設(shè)備以及SOC系統(tǒng)中，呈現(xiàn)出向高速器件與低功耗性能方向發(fā)展的趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)高速低功耗的SRAM已成為現(xiàn)在SRAM技術(shù)的主流方向。靈敏放大器是SRAM的重要組成部分，它將位線上的微小信號(hào)差迅速放大到全擺幅模式，從而有效減小數(shù)據(jù)的讀出延遲，同時(shí)由于不需要對(duì)位線電容完全充放電，因此也在某種程度上降低了功耗。所以，對(duì)高性能靈敏放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)是得到高速低功耗SRAM的一個(gè)有效途徑。根據(jù)對(duì)位線上要進(jìn)行處理的信號(hào)類型的不同，靈敏放大器可分為電壓型靈敏放大器和電流型靈敏放大器。由于電流型靈敏放大器直接檢測(cè)位線上的電流變化，不需要轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，因此在速度上更具有優(yōu)勢(shì)，可滿足高速的要求。針對(duì)不同的應(yīng)用層面，目前出現(xiàn)了多種電流型靈敏放大器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：有源負(fù)載PBT結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出不受電源電壓及偏置電壓的影響；基于電流鏡結(jié)構(gòu)的電流靈敏放大器，可以應(yīng)用在低壓非易失存儲(chǔ)器中；為了消除位線噪聲電流，而提出的采用位線漏電流補(bǔ)償技術(shù)的電流型靈敏放大器；單端偽差分電流靈敏放大器，旨在改善SRAM讀出操作時(shí)的穩(wěn)定性及延遲；為降低功耗而提出的由兩級(jí)放大(全局和局部放大)構(gòu)成的全電流模式靈敏放大器以及APD靈敏放大器。
本文在分析目前廣泛應(yīng)用的電流型靈敏放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)，以提高靈敏放大器的速度為主要目標(biāo)，兼顧考慮功耗，以實(shí)現(xiàn)速度和功耗之間合理的折衷。

1 傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器
傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器是由4個(gè)晶體管構(gòu)成的交叉耦合反相器單元，位線信號(hào)從漏極輸入，經(jīng)正反饋放大，再由漏極輸出，電路如圖1所示。靈敏放大器有2個(gè)工作階段：預(yù)充電和信號(hào)放大階段。預(yù)充電時(shí)，2個(gè)上拉P管將位線電壓拉至VDD，同時(shí)平衡管(M3)開啟，使位線電壓近似相等；當(dāng)靈敏放大器使能信號(hào)有效時(shí)，便進(jìn)入放大階段，檢測(cè)到位線上電流的變化差值并放大輸出。

2 改進(jìn)的電流型靈敏放大器
上述分析的靈敏放大器的輸入和輸出共用同一個(gè)端口，容易相互產(chǎn)生串?dāng)_，造成輸出結(jié)果錯(cuò)誤，并且當(dāng)該端口作為輸出端時(shí)，由于位線寄生電容較大，會(huì)浪費(fèi)部分時(shí)間在對(duì)該電容進(jìn)行充放電上，由靈敏放大器的延遲公式即式(1)可以看出，當(dāng)位線電容Cbit增大時(shí)，延遲Td也將變大，不利于高速靈敏放大器的設(shè)計(jì)。所以可在原有電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加一對(duì)隔離管，并對(duì)外圍電路做一改進(jìn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)靈敏放大器進(jìn)行放大時(shí)，隔離管(M10和M11)開啟，信號(hào)輸入和輸出端被隔斷，輸出時(shí)可以不必考慮端口的寄生電容，因此有效提高了靈敏放大器的速度；并且當(dāng)靈敏放大器處于預(yù)充狀態(tài)時(shí)，隔離管關(guān)閉，這樣反相器的P管和N管就被隔離開，之間沒有通路，也就沒有漏電流，從而降低了電路的功耗。