CN101345527A - 一种基于CeRAM单元的数模变换器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了属于半导体集成电路设计和制造技术领域的一种基于CeRAM单元的数模变换器，其组成包括一组CeRAM单元和一个镜像电流源；所有CeRAM单元的WL端连接在一起，作为共同的WL端；所有CeRAM单元的DL端连接在一起，作为共同的DL端；每个CeRAM单元的BL端相互独立；DL端连接到镜像电流源的Iin端。相比于传统的数模变换器，本发明结构简单，转换速度快，在转换信号位数较多时此种优势更加明显。同时本发明应用了新型的TMO材料和CeRAM单元，在国内外均属于新颖且空白的领域，有利于占据前沿技术中的领先地位。

Description

一种基于CeRAM单元的数模变换器

技术领域

本发明属于集成电路设计与制造技术领域，特别涉及一种基于CeRAM单元的数模变换器。

背景技术

过渡金属氧化物TMO(transition-metal oxides)，例如NiO(氧化镍)等，是最近几年新开发的一类材料。从宏观上来看，在外界电压变化下，TMO材料的电阻表现出由低阻向高阻或是由高阻向低阻转化的特性，亦即具有“开”“关”两种状态。如附图1所示，以ON表示“开”，即低阻状态，以OFF表示“关”，即高阻状态。两个状态的电流大小差异一般在100倍左右。假设TMO电阻最开始处于OFF状态，随着电压的升高，流过TMO电阻的电流将沿曲线段④上升，经过曲线段③后，当外界电压大于vset(设置电压)值时，电流将沿曲线段⑤突变到曲线段⑥，即进入ON状态。此后，如果电压继续上升，则TMO电阻保持在ON状态，电流沿曲线段⑥上升；如果电压下降，则TMO电阻保持在ON状态，电流从曲线段⑥经过虚线段到达曲线段①，并按此曲线变化。当TMO电阻处于ON状态时，如果从0开始施加电压，随着电压的升高，流过TMO电阻的电流将沿曲线段①上升，当外界电压大于vreset(重置电压)值时，电流将沿曲线段②突变到曲线段③，TMO电阻从ON状态转化为OFF状态。此后，随着电压的升高，流过TMO电阻的电流将沿曲线段③上升，当外界电压大于vset(设置电压)值时，电流将沿曲线段⑤突变到曲线段⑥，即进入ON状态。如果在曲线段③时，外界电压没有超过vset(设置电压)时便下降，则TMO电阻保持在OFF状态，沿曲线段③进入曲线段④并沿曲线段④继续下降，这个过程和vreset(重置电压)值无关。vset和vreset这两个值是表现TMO材料特性的重要参数。

应用TMO材料的这种电阻行为特性可以制作出一种新型存储器件CeRAM。一个CeRAM单元的电路结构如图2所示。图中NMOS是NMOS晶体管，Rce是TMO电阻。对此单元进行写入操作时，首先施加一个电源电压(以VDD表示)到WL端，使NMOS晶体管导通，然后在DL端施加一个特殊电压V(DL)，并在BL端施加要写入的信号，如果要写逻辑“1”，则施加一个电源电压VDD；如果要写逻辑“0”，则施加0电压。V(DL)要满足如下条件：vreset＜V(DL)＜vset，V(DL)＜VDD-vset。在满足如上条件时，如果写“0”，则电阻处于曲线段③，如果写“1”，则电阻处于曲线段⑥。对照附图1可以发现，在进行写操作时，写入数据不同时，操作电流的大小也不同。利用这个特点，我们可以基于CeRAM单元来设计数模转换电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CeRAM单元的数模变换器，为实现所述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于CeRAM单元的数模变换器，其组成包括一组CeRAM单元和一个镜像电流源；所有CeRAM单元的WL端连接在一起，作为共同的WL端；所有CeRAM单元的DL端连接在一起，作为共同的DL端；每个CeRAM单元的BL端相互独立；DL端连接到镜像电流源的Iin端。

所述CeRAM单元的组成包括一个NMOS晶体管和一个TMO材料电阻；NMOS晶体管的源端和TMO电阻的一端相连接；NMOS晶体管的漏端作为该单元的数据信号端BL端，NMOS晶体管的栅极作为该单元的控制端WL端，TMO电阻的另一端作为该单元的驱动端DL端。

所述镜像电流源，其组成包括两个NMOS晶体管M1和M2，M1的源端和M2的源端连接在一起并共同连接到地，M1的栅极和M2的栅极连接在一起并和M2的漏端相连，M1的漏端作为该镜像电流源的电流输入端Iin端，M2的漏端作为该镜像电流源的电流输出端Iout端。

所述CeRAM单元的数量与进行转换的数字信号位数相等，即要进行转换的数字信号为N位，则需要N个CeRAM单元。

相比于传统的数模变换器，本发明结构简单，转换速度快，在转换信号位数较多时此种优势更加明显。同时本发明应用了新型的TMO材料和CeRAM单元，在国内外均属于新颖且空白的领域，有利于占据前沿技术中的领先地位。

附图说明

图1是TMO材料的电流-电压行为曲线；

图2是CeRAM单元结构图；

图3是镜像电流源结构图；

图4是基于CeRAM单元的数模变换器结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于CeRAM单元的数模变换器，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明设计了一种基于CeRAM单元的数模变换器，其组成包括：一组CeRAM单元以及一个镜像电流源。CeRAM单元的数量要与进行转换的数字信号位数相等，即假如要进行转换的数字信号为N位，则需要N个CeRAM单元。CeRAM单元的结构如图2所示，其组成包括一个NMOS晶体管和一个TMO材料电阻Rce，其连接方法是：NMOS晶体管的源端和TMO电阻的一端相连接。NMOS晶体管的漏端作为该单元的数据信号端BL端，NMOS晶体管的栅极作为该单元的控制端WL端，TMO电阻的另一端作为该单元的驱动端DL端。镜像电流源的结构如图3所示，其组成包括两个NMOS晶体管，分别记作M1和M2，其连接方法是：M1的源端和M2的源端连接在一起并共同连接到地，M1的栅极和M2的栅极连接在一起并和M2的漏端相连，M1的漏端作为该镜像电流源的电流输入端Iin端，M2的漏端作为该镜像电流源的电流输出端Iout端。

所述基于CeRAM单元的数模变换器的所有CeRAM单元的WL端连接在一起，作为共同的WL端；所有CeRAM单元的DL端连接在一起，作为共同的DL端；每个CeRAM单元的BL端相互独立；DL端连接到镜像电流源的Iin端。

所述基于CeRAM单元的数模变换器的结构图如图4所示。假设我们有一个需要转换的N位数字信号，如图4所示，分别将每一位输入到BL₁～BL_N上。施加WL和DL信号，对CeRAM单元进行写操作。根据每位上所写数据的不同，流过每位的电流也不同，如果该位写入的是“0”，则流过的电流等于关断态的电流I_OFF；如果该位写入的是“1”，则流过的电流等于导通态的电流I_ON。我们把流过每个分支的电流分别记作I₁～I_N，那么流入镜像电流源的电流就等于这些电流的总和，即I_in＝I₁+I₂+I₃+...+I_N＝I_SUM，I_SUM用来表示N个分支的电流和。根据输入的N位数字信号中“0”和“1”的数目不同，这个电流可以在N×I_OFF～N×I_ON之间变化，例如，如果N位数字信号都是“1”，则I_SUM＝N×I_ON；如果出现1位是“0”，则I_SUM＝(N-1)×I_ON+I_OFF，以此类推。镜像电流源通过M1和M2两个晶体管将输入电流I_in按照一定的比例转换到输出端上，因此输出端的电流为I_out＝a×I_SUM，其中a表示转换的比例系数，这个系数决定于M1和M2两个晶体管的尺寸。假设M1管的尺寸为(W/L)₁，M2管的尺寸为(W/L)₂，则 $a=\frac{{(W/L)}_2}{{(W/L)}_1}.$ 通过上述过程，N位的数字信号被转换为一个在N×I_OFF～N×I_ON之间变化的模拟量I_out＝a×I_SUM，完成了数模变换器的功能。

相比于利用普通半导体技术设计的CMOS数模变换器(DAC)，本发明结构更加简单，转换速度更快，设计难度也大大降低。

以上实施例是供理解本发明之用，并非是对本发明的限制，有关领域的技术人员，在权力要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变行都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于CeRAM单元的数模变换器，其特征在于，其组成包括一组CeRAM单元和一个镜像电流源；所有CeRAM单元的WL端连接在一起，作为共同的WL端；所有CeRAM单元的DL端连接在一起，作为共同的DL端；每个CeRAM单元的BL端相互独立；DL端连接到镜像电流源的Iin端。

2.根据权利要求1所述的一种基于CeRAM单元的数模变换器，其特征在于，所述CeRAM单元的组成包括一个NMOS晶体管和一个TMO材料电阻；NMOS晶体管的源端和TMO电阻的一端相连接；NMOS晶体管的漏端作为该单元的数据信号端BL端，NMOS晶体管的栅极作为该单元的控制端WL端，TMO电阻的另一端作为该单元的驱动端DL端。

3.根据权利要求1所述的一种基于CeRAM单元的数模变换器，其特征在于，所述镜像电流源，其组成包括两个NMOS晶体管M1和M2，M1的源端和M2的源端连接在一起并共同连接到地，M1的栅极和M2的栅极连接在一起并和M2的漏端相连，M1的漏端作为该镜像电流源的电流输入端Iin端，M2的漏端作为该镜像电流源的电流输出端Iout端。

4.根据权利要求1所述的一种基于CeRAM单元的数模变换器，其特征在于，所述CeRAM单元的数量与进行转换的数字信号位数相等，即要进行转换的数字信号为N位，则需要N个CeRAM单元。

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