CN102420003B - 电流镜型wta灵敏放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流镜型WTA灵敏放大器，涉及集成电路中的放大器技术领域，包括用于探测位线上的电流差的电流传输电路、以及用于将所测电流差放大为电压信号的反馈放大回路，还包括：电流镜反馈电路，用于通过增大所述电流差使所述电压信号进一步放大。本发明所述电流镜型WTA灵敏放大器通过采用电流镜结构引入额外的反馈机制，与现有的WTA灵敏放大器相比，其在没有影响电路功耗延迟积的情况下，提高了电路的工作速度。

Description

电流镜型WTA灵敏放大器

技术领域

本发明涉及集成电路中的放大器技术领域，尤其涉及一种电流镜型WTA(Winner Take All)灵敏放大器。

背景技术

随着工艺的进步，器件尺寸进一步缩小，可以将逻辑电路和存储器同时集成到同一块芯片中，嵌入式存储器及其外围电路将显著影响整个芯片系统的速度和功耗。灵敏放大器是SRAM(Static RandomAccess Memory，静态随机存储器)外围电路的重要组成部分，它的性能优劣对整个SRAM的性能有极大的影响。

在SRAM电路中典型的电压摆幅为100mV，如果把位线上的信号直接加到外部电路上，那么外部电路就会由于无法辨认信号的逻辑值而无法正常工作。灵敏放大器最主要的功能就是放大SRAM中位线上的电压信号。灵敏放大器要将位线上的电压放大至全摆幅并在输出端输出。

由于集成度的提高，SRAM中位线上的负载电容日益增大，这已经成为灵敏放大器性能提高的一个主要限制。现有的WTA灵敏放大器采用如图1所示的结构，它由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4组成的电流传输电路和NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5组成的放大器部分组成。电流传输电路探测位线上的电流差，放大器部分将这个电流差放大为电压信号输出。NMOS管MN5的作用是提供一个恒定的电流和为NMOS管MN3、MN4提供固定的栅压，设其提供的电流为I_B，在灵敏放大器刚开始工作的阶段，MN1管的栅压为V_G10，栅源电压为V_GS10，MN2管的栅压为V_G20，栅源电压为V_GS20，MN3管的漏源电压为V_DS30，MN4管的漏源电压为V_DS40，流过MN1管和MN2管的电流相等。设NMOS管的导电因子为K_N，阈值电压为V_th，由于MN1管和MN2管的漏源电压基本保持恒定，不考虑漏源电压对MN1管和MN2管的电流的影响得：

$V_{\mathrm{MN}1}=I_{\mathrm{MN}2}=\frac{1}{2}{I}_B=K_N{(V_{\mathrm{GS}10}-V_{\mathrm{th}})}^2,$ V_G10＝V_DS30，V_G20＝V_DS40(1)

为了说明WTA灵敏放大器的工作原理，假设从位线BL流入MN3管的电流大于从位线

流向MN4管的电流，设流入MN3管和MN4管的电流分别为I₀+ΔI和I₀，MN3和MN4管的栅源电压分别为V_GS3和V_GS4，MN3和MN4管的漏源电压分别为V_DS3和V_DS4沟道长度调制因子为λ，MN3管和MN4管的电流可以由下列公式给出：I_MN3＝K_N(V_GS3-V_th)²(1+λV_DS3)，I_MN4＝K_N(V_GS4-V_th)²(1+λV_DS4)，V_GS3＝V_GS4(2)

由于MN4管流过的电流小，MN4管的漏端电压开始下降，下降量ΔV₁为：

${\mathrm{\ΔV}}_1=V_{\mathrm{DS}4}-V_{\mathrm{DS}40}=\frac{\mathrm{\ΔI}}{{\mathrm{\λK}}_N{(V_{\mathrm{GS}4}-V_{\mathrm{th}})}^2}---\left(3\right)$

这样就使得MN2管的栅压下降，流过MN2管的电流减小：

I′_MN2＝K_N(V_GS20-ΔV₁-V_th)²，ΔI_MN2＝K_N(2V_GS20-2V_th-ΔV₁)ΔV₁(4)

MN1管和MN2管电流的总和为I_B不变，因此流过MN1管电流增大，使得MN1管的栅源电压被迫抬升：

I′_MN1＝I_MN1+ΔI_MN2， ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}1}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{DS}3}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}+{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{MN}2}}{K_N}}-\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}}{K_N}}---\left(5\right)$

这样MN3管和MN4管的漏端电压差进一步增大，MN4管将逐渐移出饱和区，MN2管逐渐进入截止区，输出电压进一步放大。

现有的WTA灵敏放大器检测位线上的电流差，并且放大为电压信号输出，由于电流检测并不依赖于大负载位线的充放电，这种WTA灵敏放大器可以有效的改善灵敏放大器的性能，但其工作速度较慢。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在不影响电路功耗延迟积的情况下，提高WTA灵敏放大器的工作速度。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种电流镜型WTA灵敏放大器，包括用于探测位线上的电流差的电流传输电路、以及用于将所测电流差放大为电压信号的反馈放大回路，还包括：电流镜反馈电路，用于通过增大所述电流差使所述电压信号进一步放大。

优选地，所述电流传输电路由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4组成，其中，MP1和MP2的源极分别与位线BL和上的信号输入端相连，MP1的栅极、MP2的漏极和MP4的源极相连接，MP2的栅极、MP1的漏极和MP3的源极相连接，MP3的栅极和MP4的栅极分别连接第一控制信号输入端，MP3及MP4的漏极分别连接输出端SA_out、及

优选地，所述反馈放大回路由NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5组成，其中，MN1的栅极和MN3的漏极连接输出端SA_out，MN2的栅极和MN4的漏极连接输出端

MN1的漏极及MN2的漏极分别连接电流镜反馈回路，MN5的栅极连接第二控制信号输入端，MN5的漏极分别与MN1和MN2的源极、MN3和MN4的栅极相连，MN3、MN4和MN5的源极接地。

优选地，所述电流镜反馈电路由PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8组成，其中，MP5、MP6、MP7、MP8的源极连接电源，MP5的栅极和漏极、以及MP7的栅极与MN1的漏极相连，MP6的栅极和漏极、以及MP8的栅极与MN2的漏极相连，MP7和MP8的漏极分别连接输出端SA_out和

(三)有益效果

本发明所述电流镜型WTA灵敏放大器通过采用电流镜结构引入额外的反馈机制，与现有的WTA灵敏放大器相比，其在没有影响电路功耗延迟积的情况下，提高了电路的工作速度。

附图说明

图1为本发明背景技术中所述WTA灵敏放大器的电路图；

图2为本发明实施方式中所述电流镜型WTA灵敏放大器的电路结构图；

图3为本发明实施方式中所述SRAM电路结构图；

图4为本发明实施方式中所述两种灵敏放大器的仿真波形图；

图5为本发明实施方式中所述采用图3所示SRAM结构对两种灵敏放大器进行仿真的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明所述的一种电流镜型WTA灵敏放大器，包括用于探测位线上的电流差的电流传输电路、以及用于将所测电流差放大为电压信号的反馈放大回路，还包括：电流镜反馈电路，用于通过增大所述电流差使所述电压信号进一步放大。

其中，所述电流传输电路由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4组成，其中，MP1和MP2的源极分别与位线BL和上的信号输入端相连，MP1的栅极、MP2的漏极和MP4的源极相连接，MP2的栅极、MP1的漏极和MP3的源极相连接，MP3的栅极和MP4的栅极分别连接第一控制信号输入端RE，MP3及MP4的漏极分别连接输出端SA_out、及

所述反馈放大回路由NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5组成，其中，MN1的栅极和MN3的漏极连接输出端SA_out，MN2的栅极和MN4的漏极连接输出端

MN1的漏极及MN2的漏极分别连接电流镜反馈回路，MN5的栅极连接第二控制信号输入端SAen，MN5的漏极分别与MN1和MN2的源极、MN3和MN4的栅极相连，MN3、MN4和MN5的源极接地。

所述电流镜反馈电路由PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8组成，其中，MP5、MP6、MP7、MP8的源极连接电源，MP5的栅极和漏极、以及MP7的栅极与MN1的漏极相连，MP6的栅极和漏极、以及MP8的栅极与MN2的漏极相连，MP7和MP8的漏极分别连接输出端SA_out和

本发明所述电流镜型WTA灵敏放大器的具体工作过程：

首先SAen＝0，RE＝i，图2中MN5、MP3、MP4截止，整个电路被重置；其次若SAen＝1，RE＝0，从位线上读1，图2中MN5、MP3、MP4导通，电流传输电路打开，灵敏放大器开始工作。NMOS管MN5为MN1和MN2提供恒定的电流I_B，同时为MN3和MN4提供恒定的栅压。设灵敏放大器开始工作阶段MN1管的栅源电压为V_GS10，MN2管的栅源电压为V_GS20，MN3管的漏源电压为V_DS30，MN4管的漏源电压为V_DS40，流过MN1管和MN2管的电流相等。我们可以得到：

$V_{\mathrm{MN}1}=I_{\mathrm{MN}2}=\frac{1}{2}{I}_B=K_N{(V_{\mathrm{GS}10}-V_{\mathrm{th}})}^2,$ V_G10＝V_DS30，V_G20＝V_DS40(6)

假设从BL流入MN3管的电流为I₀+ΔI，从

流向MN4管的电流为I₀，由于电流镜的作用，流过MN3和MN4的总电流分别为

和由于Early效应，MN4的漏端电压下降：

${\mathrm{\ΔV}}_1=V_{\mathrm{DS}4}-V_{\mathrm{DS}40}=\frac{\mathrm{\ΔI}}{{\mathrm{\λK}}_N{(V_{\mathrm{GS}4}-V_{\mathrm{th}})}^2}---\left(7\right)$

这样使得MN2的栅源电压下降，流过MN2的电流减小：

I′_MN2＝K_N(V_GS20-ΔV₁-V_th)²，ΔI_MN2＝K_N(2V_GS20-2V_th-ΔV₁)ΔV₁(8)

由于流过MN1和MN2的电流总和为I_B不变，流过MN1的电流增大，迫使MN1的栅极电压抬升：

I′_MN1＝I_MN1+ΔI_MN2， ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{GS}1}={\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{DS}3}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}+{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{MN}2}}{K_N}}-\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}}{K_N}}---\left(9\right)$

由于电流镜的作用，I_MN1的增大被复制到MN3，使得MN3的漏端电压进一步升高：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{DS}3}=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}+{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{MN}2}}{K_N}}-\sqrt{\frac{I_{\mathrm{MN}1}}{K_N}}+\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{MN}2}}{{\mathrm{\λK}}_N{(V_{\mathrm{GS}3}-V_{\mathrm{th}})}^2}---\left(10\right)$

同时I_MN2的减小也被复制到MN4，使得MN4的漏端电压减小，使得MN3和MN4的漏端电压差进一步增大。MN4逐渐移出饱和区，MN2逐渐进入截止区，使得流过MN1的电流变为I_B，流过MN2管的电流变为0。

从公式(10)中可以看出，由于电流镜将MN1和MN2的电流复制到MN3和MN4，使得MN3和MN4的漏端电压差变得更大，从而提高了电路的速度。而优化MP5、MP6、MP7、MP8的尺寸可以保证电路的功耗延迟积不受影响。

下面给出仿真结果及分析。

利用HSPICE对上面的电路进行仿真分析，该仿真实验基于65nm工艺，电源电压为1V。该仿真实验采用如图3所示的SRAM电路结构，其中的SRAM阵列使用256个SRAM单元。图3中

表示反相器，

表示三态门。电容负载C1、C2为10fF。

图4给出了两种灵敏放大器仿真波形，对两种灵敏放大器的输出端SA_out和流过MN3的电流进行比较。通过比较可以看出，由于高速电流镜型WTA灵敏放大器的MN3电流比较大，使得输出端SA_out的电压抬升更快，电路的工作速度也更快，同时SA_out的摆幅也比较大，有利于减小输出缓冲级的功耗。

图5给出了采用图3所示SRAM结构对两种灵敏放大器进行仿真，数据输出端Dout的波形比较，从图中可以看出，高速电流镜型WTA灵敏放大器的速度比WTA灵敏放大器更快，延迟更小。

两种灵敏放大器的延迟时间(SAen到Dout的延迟)如表1所示。

表1

	延迟/ps
		WTA灵敏放大器	587
高速电流镜型WTA灵敏放大器	368

对两种灵敏放大器的平均功耗进行测量，并计算各自的功耗延迟积，结果如表2所示。

表2

因此仿真结果显示，与WTA灵敏放大器相比，高速电流镜型WTA灵敏放大器的功耗延迟降低37.3％(并略有改善)，且速度有明显的优势。

由以上实施例可以看出，本发明中，高速电流镜型WTA灵敏放大器探测位线BL和

上的差分电流作为输入，将电流信号转化为电压信号放大输出，采用电流镜结构，可以提高灵敏放大器电路的速度。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种电流镜型WTA(Winner Take All)灵敏放大器，包括用于探测位线上的电流差的电流传输电路、以及用于将所测电流差放大为电压信号的反馈放大回路，其特征在于，还包括：电流镜反馈电路，用于通过增大所述电流差使所述电压信号进一步放大；

所述反馈放大回路由NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5组成，其中，MN1的栅极和MN3的漏极连接输出端SA_out，MN2的栅极和MN4的漏极连接输出端

MN1的漏极及MN2的漏极分别连接电流镜反馈电路，MN5的栅极连接第二控制信号输入端，MN5的漏极分别与MN1和MN2的源极、MN3和MN4的栅极相连，MN3、MN4和MN5的源极接地；

所述电流镜反馈电路由PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8组成，其中，MP5、MP6、MP7、MP8的源极连接电源，MP5的栅极和漏极、以及MP7的栅极与MN1的漏极相连，MP6的栅极和漏极、以及MP8的栅极与MN2的漏极相连，MP7和MP8的漏极分别连接输出端SA_out和

2.如权利要求1所述的电流镜型WTA灵敏放大器，其特征在于，所述电流传输电路由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4组成，其中，MP1和MP2的源极分别与位线BL和

上的信号输入端相连，MP1的栅极、MP2的漏极和MP4的源极相连接，MP2的栅极、MP1的漏极和MP3的源极相连接，MP3的栅极和MP4的栅极分别连接第一控制信号输入端，MP3及MP4的漏极分别连接输出端SA_out、及

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