存储器和灵敏放大器
技术领域
本发明涉及存储器电路,特别涉及一种存储器和灵敏放大器。
背景技术
灵敏放大器(SA,SenseAmplifier)是存储器的一个重要组成部分,直接影响存储器的读取速度。灵敏放大器感应位线(bit-line)上的小信号变化并通过放大所述小信号变化来得到存储单元上储存的数据。在感应位线(bit-line)上的小信号变化前,灵敏放大器的位线调整单元会将位线电压调整至固定值,以使位线电压尽快稳定,进而可在读取时感应到稳定的位线电流。
图1是现有的一种存储器的灵敏放大器的电路图,包括:
预充电单元11,在位线预充电时,对数据线节点进行充电,包括:预充电晶体管mp,其控制端(栅极)连接预充电控制信号PRE,其第一端(源极)连接工作电压源VDDQ,其第二端(漏极)连接数据线节点VE;
位线调整单元12,在位线预充电时,由所述数据线节点对位线节点进行充电,在位线预充电后,输出位线电流,包括:可变增益放大器A1和调整晶体管m2。可变增益放大器A1的输入端连接位线节点VD,即输入位线电压;输出端连接反馈节点VC,即输出反馈电压。调整晶体管m2的控制端输入反馈电压,即与反馈节点VC连接;第一端的电压为数据线电压,即与数据线节点VE连接;第二端的电压为位线电压,即与位线节点VD连接。也就是说,调整晶体管m2的控制端与可变增益放大器A1的输出端连接,第一端与预充电单元11的预充电晶体管mp的漏极连接,第二端与可变增益放大器A1的输入端连接。
电流镜单元13,输入端连接所述数据线节点VE,输出端连接数据节点VF,对所述位线电流进行镜像,获得镜像电流,包括:输入晶体管mr和镜像晶体管m1;
比较单元14,在所述镜像电流大于参考电流时升高所述数据节点的电压,在镜像电流小于参考电流时降低所述数据节点的电压,包括:参考电流源Iref,其一端接地,另一端连接数据节点VF;
输出单元15,输出对应所述数据节点VF电压的输出数据,包括:整形缓冲器15a和驱动缓冲器15b,整形缓冲器15a对带数据电压的信号进行整形,驱动缓冲器15b根据整形后的信号输出数据DQ;
偏置单元16,包括:偏置晶体管md,在预充电控制信号PRE为低电平时将数据节点VF的电压偏置到预设电压值Vset。
在读取存储单元前,预充电控制信号PRE设置为低电平,预充电单元11对数据线dl进行预充电,位线调整单元12对位线bl进行预充电,即位线节点VD的电压(位线电压)随数据线节点VE的电压(数据线电压)升高而被快速充电至高电平。当位线节点VD的电压升高至一预定值时,反馈节点VC的电压从高电平转为低电平,将调整晶体管m2关闭。
在读取存储单元时,预充电控制信号PRE设置为高电平,由译码单元21选中的存储单元22的电压被读到位线节点VD上,调整晶体管m2处于不完全关断状态,其电流值被钳位到与位线bl的电流(位线电流)相同的值,位线电流经电流镜单元13的输入晶体管mr和镜像晶体管m1,获得镜像电流Im1,比较单元14根据对镜像电流Im1与参考电流Iref进行比较的结果,对数据节点VF进行充电或放电,升高或降低数据节点VF的电压(数据电压),输出单元15根据数据电压输出数据DQ为1或0。偏置单元16在预充电控制信号PRE为低电平时将数据节点VF的电压偏置到预设电压值Vset。
但是,随着半导体技术的发展,在例如深亚微米CMOS技术条件下,设计高速低功耗灵敏放大器的主要挑战在于,随着特征尺寸的不断减小,工作电压源VDDQ也必然随之不断减小。由于工作电压源VDDQ的减小,必然导致数据线电压VE的减小,进而导致读取存储单元时位线节点VD的电压也随之减小,最终存储器的读取速度受到影响而降低,甚至无法读取,从而影响了存储器的性能。
发明内容
本发明解决现有技术存储器因工作电压降低而致使存储器读取速度降低,甚至无法读取的问题。
为解决上述问题,本发明实施方式提供一种灵敏放大器,包括:
预充电单元,在位线预充电时,对数据线节点进行充电;
位线调整单元,在位线预充电时,由所述数据线节点对位线节点进行充电,在位线预充电后,输出位线电流;
电流镜单元,输入端连接所述数据线节点,输出端连接数据节点,对所述位线电流进行镜像,获得镜像电流;包括:具有控制端、第一端和第二端的输入晶体管,其第二端连接数据线节点,其第一端连接电压源;具有控制端、第一端和第二端的镜像晶体管,其第二端连接数据节点,其第一端连接电压源,其控制端与输入晶体管的控制端相连;第一阻抗元件,其第一端连接输入晶体管的第二端,所述第一阻抗元件的第二端连接输入晶体管的控制端;上拉电流源,其一端连接第一阻抗元件的第一端,另一端连接电压源;下拉电流源,其一端连接第一阻抗元件的第二端,另一端接地,所述下拉电流源的电流值等于所述上拉电流源的电流值;
比较单元,在所述镜像电流大于参考电流时升高所述数据节点的电压,在镜像电流小于参考电流时降低所述数据节点的电压。
可选地,所述上拉电流源包括:具有控制端、第一端和第二端的第一晶体管,其第一端连接电压源,其控制端连接其第二端;具有控制端、第一端和第二端的第二晶体管,其控制端连接第一晶体管的控制端和第一晶体管的第二端,其第一端连接电压源,其第二端连接第一阻抗元件。
可选地,所述下拉电流源包括:具有控制端、第一端和第二端的第三晶体管,其第一端接地,其控制端连接其第二端,其第二端与第一晶体管的第二端连接;具有控制端、第一端和第二端的第四晶体管,其第一端接地,其控制端连接第三晶体管的控制端和第三晶体管的第二端,其第二端连接第一阻抗元件。
可选地,所述第一阻抗元件为具有控制端、第一端和第二端的第五晶体管,其控制端接地,其第一端连接输入晶体管的第二端和上拉电流源,其第二端连接输入晶体管的控制端和下拉电流源。
可选地,所述位线调整单元包括:可变增益放大器,其输入端连接位线节点;具有控制端、第一端和第二端的调整晶体管,其控制端连接所述可变增益放大器的输出端,所述调整晶体管的第一端连接数据线节点,所述调整晶体管的第二端连接位线节点。
可选地,所述位线调整单元包括:具有控制端、第一端和第二端的反馈晶体管,其控制端连接所述位线节点,其第一端连接稳压电源;第二阻抗元件,其一端接地,另一端连接所述反馈晶体管的第二端;具有控制端、第一端和第二端的调整晶体管,其控制端连接所述反馈晶体管的第二端,第一端连接所述数据线节点,第二端连接所述位线节点。
可选地,所述稳压电源的电压取值包括:0.8V~2V。
可选地,所述第二阻抗元件为电阻。
可选地,所述第二阻抗元件为具有控制端、第一端和第二端的阻抗晶体管,其第一端连接所述反馈晶体管的第二端,所述阻抗晶体管的第二端接地,所述阻抗晶体管的控制端连接所述反馈晶体管的第二端或所述电压源阻抗晶体管。
可选地,所述灵敏放大器还包括:偏置单元,其输入端连接所述数据节点和接收预设电压,在预充电控制信号为低电平时将数据节点的电压偏置到预设电压值。
可选地,所述灵敏放大器还包括:输出单元,其输入端连接所述数据节点,输出对应所述数据节点的电压的输出数据。
为解决上述问题,本发明还提供了一种包括上述灵敏放大器的存储器。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1)本发明实施例提供的灵敏放大器在电流镜单元中增加了上拉电流源、下拉电流源和第一阻抗元件,上拉电流源和下拉电流源提供的电流值相等,第一阻抗元件将输入晶体管的栅极和漏极间的电压分开,第一阻抗元件两端间的电压值等于输入晶体管栅漏间的电压,在保证输入晶体管工作在饱和区的前提下,通过提高输入晶体管栅漏间的电压,来增强输入晶体管的沟道导电能力,使得输入晶体管的压降减小,从而减小了数据线节点与工作电压源之间的电压差,在工作电压源不变的情况下,增大了数据线节点的电压,相应地增大了位线节点的电压,从而增大了位线上电流,减小了存储器区读取前的预充电时间,提高了存储器的读取速度。
2)本发明实施例提供的灵敏放大器中的可变增益放大器由反馈晶体管和第二阻抗元件代替,在预充电结束时,即使位线电压的电压比较小,也可以通过反馈晶体管的栅极电压的变化使反馈晶体管导通能力变弱,从而反馈晶体管能很好地发挥反馈作用,使得反馈电压从高电平转为低电平,及时的将调整晶体管关闭。
附图说明
图1是现有的一种存储器的灵敏放大器的电路图;
图2是本发明提供的灵敏放大器的电路图;
图3是本发明实施例1提供的灵敏放大器的电路图;
图4是本发明实施例2提供的灵敏放大器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述,现有的灵敏放大器读取存储单元时,当工作电压源VDDQ降低时,位线节点的初始电压也随之降低,导致位线上电流减小,进而使得存储器的读取速度受到影响而降低,甚至无法读取,从而影响了存储器的性能。基于此,本发明灵敏放大器通过在同等工作电压源条件下,增大位线节点的电压,以增加位线上的电流。根据本发明灵敏放大器的一种实施方式,参见图2所示,其包括:预充电单元11、位线调整单元12、电流镜单元13和比较单元14,其中:
预充电单元11,在位线预充电时,对数据线节点进行充电;
位线调整单元12,在位线预充电时,由所述数据线节点对位线节点进行充电,在位线预充电后,输出位线电流;
电流镜单元13,输入端连接所述数据线节点,输出端连接数据节点,对所述位线电流进行镜像,获得镜像电流;包括:具有控制端、第一端和第二端的输入晶体管mr,其第二端连接数据线节点,其第一端连接工作电压源VDDQ;具有控制端、第一端和第二端的镜像晶体管m1,其第二端连接数据节点,其第一端连接工作电压源VDDQ,其控制端与输入晶体管的控制端相连;第一阻抗元件Rc,其一端连接数据节点,另一端连接输入晶体管mr的控制端和镜像晶体管m1的控制端;上拉电流源I1,其一端连接第一阻抗元件Rc的第一端,另一端连接工作电压源VDDQ;下拉电流源I2,其一端连接第一阻抗元件Rc的第二端,另一端接地。
比较单元14,在所述镜像电流大于参考电流时升高所述数据节点的电压,在镜像电流小于参考电流时降低所述数据节点的电压。
本发明提供的灵敏放大器在电流镜单元13中增加了上拉电流源I1、下拉电流源I2和第一阻抗元件Rc,上拉电流源I1和下拉电流源I2提供的电流值相等,第一阻抗元件Rc将输入晶体管mr的栅极和漏极间的电压分开,第一阻抗元件Rc两端间的电压值等于输入晶体管mr栅漏间的电压,现有技术中输入晶体管栅漏间的电压为0,本发明就是在保证输入晶体管工作在饱和区的前提下,通过提高输入晶体管mr栅漏间的电压,来增强输入晶体管mr的沟道导电能力,使得输入晶体管mr的压降减小,从而减小了数据线节点VE与工作电压源VDDQ之间的电压差,在工作电压源VDDQ不变的情况下,增大了数据线节点VE的电压,即增大了位线节点VD的电压,从而增大了位线上电流,减小了存储器区读取前的预充电时间,提高了存储器的读取速度。
下面结合附图对本发明实施方式进行详细说明。
实施例1
参见图3所示,本实施例提供的灵敏放大器包括:预充电单元11、位线调整单元12、电流镜单元13、比较单元14、偏置单元16和输出单元15。
预充电单元11,在位线预充电(读取存储单元前)时,对数据线dl进行充电,即升高数据线节点VE的电压(数据线电压)。
预充电单元11包括预充电晶体管mP,预充电晶体管mP的栅极输入预充电控制信号PRE,源极输入工作电压源VDDQ,漏极连接数据线节点VE(或者说,连接数据线dl),即输出数据线电压。
位线调整单元12,在位线预充电时,反馈放大位线节点VD的电压(位线电压),获得反馈电压,在所述反馈电压的控制下,由预充电单元11输出的数据线电压调整所述位线电压;在位线预充电后,输出位线电流。
位线调整单元12包括:PMOS晶体管m3和NMOS晶体管m4组成的可变增益放大器和具有控制端(栅极)、第一端(漏极)和第二端(源极)的调整晶体管m2,可变增益放大器的输入端连接位线节点VD,输出端连接反馈节点VC;调整晶体管m2的控制端输入反馈电压,即连接反馈节点VC;第一端的电压为数据线电压,即连接数据线节点VE;第二端的电压为位线电压,即连接位线节点VD。
在位线预充电时,位线节点VD的电压升高,可变增益放大器的增益为0,反馈节点VC的电压(反馈电压)升高;当位线节点VD的电压升高至一预定电压值时,可变增益放大器的增益突变为一预定增益值,使得反馈节点VC的电压从高电平转为低电平,将调整晶体管m2关闭,预充电结束后,可变增益放大器的增益保持为预定增益值。在位线预充电结束后,位线调整单元12的调整晶体管m2的电流被钳位至位线电流。
电流镜单元13,对位线调整单元12输出的位线电流进行镜像,获得镜像电流Im1。电流镜单元13的输入端连接数据线节点VE,输出端连接数据节点VF。
电流镜单元13包括:具有控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)的输入晶体管mr,其第二端连接数据线节点VE,其第一端连接工作电压源VDDQ;具有控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)的镜像晶体管m1,其第二端连接数据节点VF,其第一端连接工作电压源VDDQ,其控制端与输入晶体管mr的控制端相连,镜像晶体管m1的第二端输出镜像电流Im1;具有控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)的第五晶体管m5,其控制端接地,其第一端连接数据线节点VE,其第二端连接输入晶体管mr的控制端和镜像晶体管m1的控制端;具有控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)的第一晶体管m6,其第一端连接工作电压源VDDQ,其第二端与其控制端相连;具有控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)的第二晶体管m7,其第一端连接工作电压源VDDQ,其第二端连接数据线节点VE,其控制端与第一晶体管m6的控制端相连;具有控制端(栅极)、第一端(源极或漏极)和第二端(源极或漏极)的第三晶体管m8,其控制端与其第一端相连,其第一端连接第一晶体管m6的第二端,其第二端接地;具有控制端(控制端)、第一端(源极或漏极)和第二端(源极或漏极)的第四晶体管m9,其控制端连接第三晶体管m8的控制端,其第一端连接第五晶体管m5的第二端、镜像晶体管m1的控制端和输入晶体管mr的控制端,其第二端接地。输入晶体管mr的漏极电压为数据线电压,镜像晶体管m1的漏极电压为数据电压。
其中,第一晶体管m6和第二晶体管m7共同作为上拉电流源,第三晶体管m8和第四晶体管m9共同作为下拉电流源,第五晶体管m5作为第一阻抗元件。需要说明的是,在本发明的其他实施例中,第五晶体管m5还可以由一个电阻替代,第一晶体管m6和第二晶体管m7可以由其他形式的电流源替代,第三晶体管m8和第四晶体管m9也可以由其他形式的电流源替代,在此不应限制本发明的保护范围。
本实施例中上拉电流源的电流值与下拉电流源的电流值相等,即:第二晶体管m7的漏极电流等于第五晶体管m5的源极电流。
再次参考图3所示的连接,流过上拉电流源、下拉电流源和第五晶体管m5的电流相同,第五晶体管m5源漏极间的电压就等于输入晶体管mr的栅漏间电压,当流过第五晶体管m5的电流为I、第五晶体管m5的电阻值为R时,第五晶体管m5源漏极间的电压是R×I,即输入晶体管mr的栅漏间的电压是R×I。对于输入晶体管mr而言,在保证输入晶体管mr工作在饱和区的前提下,其栅漏间的电压越大,其沟道导电能力越强,从而输入晶体管mr的源漏极间的压降越小,输入晶体管mr漏极电压(即数据线节点VE电压)与输入晶体管mr源极电压(即工作电压源VDDQ)越接近。由此可得,数据线节点VE的初始电压在同等工作电压源VDDQ的条件下相对于现有技术的灵敏放大器的数据线节点更高,从而位线节点VD的初始电压也更高。因此,在同等工作电压源VDDQ的条件下,所述位线相对于现有技术上可以得到更大的位线电流Icell。在位线预充电结束后,位线调整单元12的调整晶体管m2的电流被钳位至位线电流,电流镜单元13的输入晶体管mr的电流与调整晶体管m2的电流相同,即等于位线电流。位线电流与镜像电流的比值为输入晶体管mr的沟道长宽比与镜像晶体管m1的沟道长宽比的比值。由于位线电流变大,相应地,电流镜单元13输出的镜像电流Im1也更大。
比较单元14,比较电流镜单元13输出的镜像电流Im1与参考电流Iref,在镜像电流Im1大于参考电流Iref时对数据节点VF进行充电,升高数据电压;在镜像电流Im1小于参考电流Iref时对数据节点VF进行放电,降低数据电压。基于此前的说明,由于镜像电流Im1更大,因而比较单元14对数据节点VF充放电的速度也更快。
偏置单元16,在位线预充电时,将数据电压偏置到预设电压值Vset。偏置单元18包括偏置晶体管md,偏置晶体管md的栅极输入预充电控制信号PRE的反相信号源极输入预设电压值Vset,漏极与数据节点VF连接(即与镜像晶体管m1的漏极连接)。预设电压值Vset大于0,并且不能太大,以使调整晶体管m2的电流噪声不会影响数据节点VF的电压。通常,根据晶体管的电压特性,预设电压值Vset可以为0.2~0.6V。
偏置单元16在位线预充电时,将数据电压偏置到大于0的预设电压值Vset,可以在位线预充电时使数据节点VF的电流尽快稳定;并且可以在读取存储单元时,缩短数据节点VF的充电时间(数据节点VF的电压是从Vset充到高电平,而不是从0充到高电平),从而提高灵敏放大器的读取速度。
输出单元15,输出对应所述数据电压的输出数据。输出单元15包括整形缓冲器15a和驱动缓冲器15b,整形缓冲器15a对带数据电压的信号进行整形,驱动缓冲器15b根据整形后的信号输出数据DQ。由于比较单元14对数据节点VF充放电的速度提高,因此,输出单元15也可以更快地基于数据节点VF上的数据电压输出对应的输出数据,即存储器的读取速度得到了提高。
本实施例提供的灵敏放大器在电流镜单元13中增加了上拉电流源、下拉电流源和第一阻抗元件,将输入晶体管mr的栅极和漏极间的电压通过这个第一阻抗元件分开,通过减小输入晶体管mr的栅端电压,增大了输入晶体管mr的漏端电压,增大了数据线节点VE的电压,也即增大了位线节点VD的电压,从而增大了位线上电流,减小了存储器区读取前的预充电时间,提高了存储器的读取速度。
实施例2
参见图4所示,本实施例提供的灵敏放大器与实施例1的灵敏放大器的结构大致相同,其区别在于:所述位线调整单元12包括:稳压电源Vreg、反馈晶体管m10、阻抗晶体管m11和调整晶体管m2。反馈晶体管m10、阻抗晶体管m11和调整晶体管m2都包括控制端(栅极)、第一端(源极)和第二端(漏极)。稳压电源Vreg的输出端与反馈晶体管m10的第一端相连,稳压电源Vreg为反馈晶体管m10的第一端提供取值范围包括:0.8V~2V的工作电压;反馈晶体管m10的第二端连接反馈节点VC,即输出反馈电压;反馈晶体管m10的控制端与位线节点VD相连,即输入位线电压;调整晶体管m2的控制端输入反馈电压,即与反馈节点VC连接;调整晶体管m2的第二端的电压为数据线电压,即与数据线节点VE连接;调整晶体管m2第一端的电压为位线电压,即与位线节点VD相连;阻抗晶体管m11的第一端接地;阻抗晶体管m11的控制端和第二端同时输入反馈电压,即阻抗晶体管m11的控制端和第二端都与反馈节点VC连接。
在位线预充电时,反馈晶体管m10和阻抗晶体管m11均处于导通状态,调整晶体管m2也处于导通状态,位线节点VD的电压开始升高,反馈节点VC的电压(反馈电压)升高;当位线节点VD的电压升高至一预定电压值时,反馈晶体管m10和阻抗晶体管m11都关闭,反馈节点VC的电压从高电平转为低电平,将调整晶体管m2也关闭;在位线预充电结束后,位线调整单元12的调整晶体管m2的电流被钳位至位线电流。
在本发明的其他实施例中,位线调整单元12中的阻抗晶体管m11的控制端还可以不接反馈节点VC,而是连接工作电压源VDDQ;或者是位线调整单元12阻抗晶体管m11被一个电阻代替,所述电阻的一端接地,另一端连接反馈节点VC。
与实施例1相比,本实施例提供的灵敏放大器中的可变增益放大器由反馈晶体管m10和阻抗晶体管m11代替,在预充电结束时,即使位线电压的电压比较小,也可以通过反馈晶体管m10的栅极电压的变化使反馈晶体管m10导通能力变弱,从而反馈晶体管m10能很好地发挥反馈作用,使得反馈电压从高电平转为低电平,及时的将调整晶体管m2关闭;使用稳压电源为反馈晶体管m10提供电压,从而使得反馈晶体管m10工作状态稳定,且减小了噪声的干扰。
本发明实施例还提供一种存储器,包括:译码单元21、存储单元22和图2、图3或图4所示的灵敏放大器。
在读取存储单元22前,对位线进行预充电,预充电控制信号PRE设置为低电平,灵敏放大器的预充电单元11对数据线节点VE进行预充电,位线调整单元12对位线节点VD进行充电,即位线节点VD的电压随数据线节点VE的电压升高而被快速充电至高电平,当位线节点VD的电压升高至一预定值时,反馈节点VC的电压从高电平转为低电平,将调整晶体管m2关闭。
在读取存储单元22时,预充电控制信号PRE设置为高电平,由译码单元21选中的存储单元22的电压被读到位线节点VD上,灵敏放大器的位线调整单元12输出位线电流;位线电流经灵敏放大器的电流镜单元13,获得镜像电流Im1;灵敏放大器的比较单元14根据镜像电流Im1与参考电流Iref的比较结果,对数据节点VF进行充电或放电,升高或降低数据节点VF的电压;灵敏放大器的输出单元15根据数据节点VF的电压输出数据DQ为1或0。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。