新型深亞微米電流靈敏放大器技術(shù)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(hào)的輸入到數(shù)據(jù)信號(hào)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?gòu)牡刂沸盘?hào)輸入到字線選通的延時(shí)，由于內(nèi)部譯碼器等電路相對(duì)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?gòu)淖志€選通到數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢?jiàn)，高性能靈敏放大器的設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)放大位線上微小信號(hào)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(cè)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(hào)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(yù)充電過(guò)程，即對(duì)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(xiě)作準(zhǔn)備；二是放大過(guò)程，即對(duì)位線信號(hào)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(guò)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(zhǎng)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(jí)放大電路對(duì)位線信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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(guò)一個(gè)反相器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，去掉預(yù)充電結(jié)構(gòu)中的反相器后，通過(guò)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(jiàn)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(lái)產(chǎn)生M₃的柵極偏壓V_REF；M₃，M₄和M₅為鏡像結(jié)構(gòu)，用來(lái)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(jí)放大器中的第一級(jí)，是一個(gè)差分放大器。差分放大器的輸入信號(hào)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(jí)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(shì)。

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(jiàn)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(duì)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(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(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(duì)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(guò)程中輸出電壓都低于0.1 V，都在低電平范圍內(nèi)。這說(shuō)明該電流靈敏放大器在室溫情況下能對(duì)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(duì)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(yǔ)

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(shì)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(zhǎng)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(jí)放大電路對(duì)信號(hào)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。