CN102420004B - 一种电流模灵敏放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电流模灵敏放大器，用于阵列存储器存储单元信息读取，包括反馈钳位电路、负载平衡电路、电流比较电路，其中，所述反馈钳位电路的钳位电压输出端通过负载平衡电路为被读取存储单元提供钳位电压；所述负载平衡电路用于平衡所述反馈钳位电路连接不同负载时的输出电压；所述电流比较电路包括同相输入端、反相输入端和输出端，同相输入端与所述反馈钳位电路的采样电流输出端连接，反相输入端用于连接参考存储单元，输出端用于输出电流比较电路的比较结果。增加负载平衡电路可以减小不同负载对反馈钳位电路的输出端钳位电压的调制，能够减小采样存储单元电流偏离，改善存储器的读取裕度。

Description

一种电流模灵敏放大器
技术领域
本发明涉及存储器信息读取领域，特别是涉及存储阵列单元信息读取时的电流模灵敏放大器。
背景技术
灵敏放大器是多个存储单元组成的存储器进行存储信息读取时的关键电路之一，它的作用是对存储单元进行采样并与参考存储单元进行比较，并输出比较结果(逻辑“0”或逻辑“1”)。根据工作原理，灵敏放大器分为电压模和电流模两种，它们的采样输入信号分别是存储单元的电压量和电流量。
一般通过读取裕度(Read Margin)来表征存储器信息读取时分辨“0”和“1”的能力，对于电流模灵敏放大器，在给定偏置条件下，储存“0”和“1”两种信息的存储单元的饱和电流分别为I0和I1，读取裕度一般定义为I0和I1的差值。存储器的读取裕度越大，其读取“0”和“1”的分辨能力越强，反之则越弱。
常规电流模灵敏放大器的反馈钳位电路的输出(IO)端用于为存储单元提供电压，由于反馈钳位电路的面积和功耗的限制，反馈钳位电路对于IO端的电压钳位能力有限，在读取存储单元的信息(“0”或“1”)时，由于反馈钳位电路有限的调制能力，在读取“0”时，负载电流较小，电阻较大，反馈钳位电路调整的结果使IO端的输出电压VIO值较大；而读取“1”时，负载电流较大，电阻较小，反馈钳位电路调整的结果使IO端的输出电压VIO值较小。根据存储单元的导通特性可知，读取到的存储单元采样电流IMC与存储单元漏源两端的偏置电压VIO存在正比关系，即读取“0”时，IMC比理想值偏大，记为I′0＞I0；读取“1”时，IMC比理想值偏小，记为I′1＜I1，得到I′1-I′0＜I1-I0。由于电流模灵敏放大器电路设计本身引入的采样误差，导致了读取裕度的减小，降低了存储器的读取裕度。
发明内容
本发明能够减小电流模灵敏放大器读取存储器的存储单元信息过程中的电流采样偏差，改善存储器的读取裕度。
为达到上述目的，本发明提供一种电流模灵敏放大器，所述电流模灵敏放大器用于阵列存储器存储单元信息读取，包括反馈钳位电路、负载平衡电路、电流比较电路，其中
所述反馈钳位电路的钳位电压输出端通过负载平衡电路为被读取存储单元提供钳位电压；
所述负载平衡电路用于平衡所述反馈钳位电路连接不同负载时的输出电压；
所述电流比较电路包括同相输入端、反相输入端和输出端，同相输入端与所述反馈钳位电路的采样电流输出端连接，反相输入端用于连接参考存储单元，输出端用于输出电流比较电路的比较结果。
优选地，所述负载平衡电路包括反相器、第一开关、第二开关和动态负载，其中，
动态负载通过第一开关、被读取存储单元通过第二开关连接到所述反馈钳位电路的钳位电压输出端，所述第一开关和第二开关为受读取系统提供的读取控制信号控制导通和关断的开关；
所述读取系统提供的读取控制信号接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接第一开关或第二开关。
其中，所述反相器的输出端连接第一开关，所述读取控控制信号为“1”，第一开关断开，第二开关接通；所述读取控制信号为“0”，第一开关接通，第二开关断开。
其中，所述反相器的输出端连接第二开关，所述读取控控制信号为“1”，第一开关接通，第二开关断开；所述读取控制信号为“0”，第一开关断开，第二开关接通。
其中，所述动态负载采用电流源，所述电流源的一端与第一开关连接，另一端接地。
其中，所述动态负载采用电阻，所述电阻的一端与第一开关连接，另一端接地。
其中，所述动态负载采用电流镜，所述电流镜包括两个晶体管，其中第一晶体管和第二晶体管的栅极连接在一起，并与第一晶体管的漏极连接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极用于施加外部电流；第二晶体管的源极接地，漏极通过所述第一开关连接到反馈钳位电路输出端。
优选地，所述电流比较电路的输出端连接输出整形电路，所述输出整形电路包括两个反相器，其中第一反相器的输入端连接所述电流比较电路的输出端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端用于输出所述比较结果的整形结果。
与现有技术相比，本发明具有下列优点：
本发明提供了一种电流模灵敏放大器，在传统电流模灵敏放大器基础上，在反馈钳位电路和被读取存储单元之间增加了负载平衡电路，负载平衡电路用于平衡反馈钳位电路连接不同负载时的输出电压，可以减小不同负载对反馈钳位电路的IO端钳位电压的调制，减小施加在不同存储状态(“0”或“1”)存储单元上钳位电压的变化，能够减小采样电流偏离，改善存储器的读取裕度。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其他目的更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按照实际大小等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为传统电流模灵敏放大器结构示意图；
图2为本发明的电流模灵敏放大器结构示意图；
图3为包括输出整形电路的电流模灵敏放大器结构示意图；
图4为本发明的电流模灵敏放大器电路结构图；
图5和图6为负载平衡电路中动态负载的电路连接图；
具体实施方式
灵敏放大器是多个存储单元组成的存储器进行存储信息读取时的关键电路之一，它的作用是对存储单元进行读取并与参考存储单元进行比较，并输出比较结果(逻辑“0”或逻辑“1”)。根据工作原理，灵敏放大器分为电压模和电流模两种。用于阵列存储器存储单元信息读取的传统电流模灵敏放大器，参见图1，包括反馈钳位电路10和电流比较电路20，其中，反馈钳位电路10的输出(IO)端为被读取存储单元30提供钳位电压，并产生读取电流IMC；电流比较电路20的同向输入端用于采集读取电流IMC，电流比较电路20的同向输入端与反馈钳位电路10的输入端连接，反向输入端与参考存储单元40连接，并在该参考存储单元上产生参考电流IMRC，输出端输出读取电流IMC与参考电流IMRC的比较结果。
由于反馈钳位电路的面积和功耗的限制，反馈钳位电路对于IO端的电压钳位能力有限，在读取存储单元的信息(“0”或“1”)时，反馈钳位电路IO端的钳位电压受到不同存储状态(“0”或“1”)存储单元的调制，使读取采样电流IMC偏离理想值，导致了读取裕度偏离设计时的理想读取裕度。
本发明提出了一种电流模灵敏放大器，在传统电流模灵敏放大器基础上，在反馈钳位电路和被读取存储单元之间增加了负载平衡电路，负载平衡电路用于平衡反馈钳位电路连接不同负载时的输出电压，可以减小不同负载对反馈钳位电路的IO端钳位电压的调制，减小施加在不同存储状态(“0”或“1”)存储单元上钳位电压的变化，达到减小采样电流偏离，改善存储器读取裕度的目的。下面结合附图具体介绍本发明的电流模灵敏放大器。
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，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参见图2，本发明的电流模灵敏放大器包括反馈钳位电路100、负载平衡电路200和电流比较电路300，其中，反馈钳位电路100的钳位电压输出(IO)端通过负载平衡电路200为被读取存储单元500提供钳位电压，并产生读取电流IMC；电流比较电路300的正向输入端与反馈钳位电路100的采样电流输出端连接，反向输入端与参考存储单元500连接，并产生流过参考存储单元的参考电流IMRC，输出端输出读取电流IMC与参考电流IMRC比较结果。
本发明的电流模灵敏放大器还可以包括输出整形电路600，用于增强电流模灵敏放大器的输出驱动能力，参见图3，电流比较电路300的输出端连接输出整形电路600的输入端，输出整形电路的输出端为电流模灵敏放大器的输出端。
具体地，本发明的电流模灵敏放大器的电路图参见图4，包括，反馈钳位电路100、负载平衡电路200、电流比较电路300、输出整形电路600，其中，
电流比较电路300是一种常见的电路，包括PMOS晶体管PM1和PM2、NMOS晶体管NM1和NM2，与电源VDDSA连接的晶体管PM1、PM2组成电流镜的一个支路连接反馈钳位电路100，电流镜的另一个支路通过节点A连接晶体管NM1和NM2组成的电流镜，晶体管PM1的漏极为电流比较电路的同相输入端，晶体管NM2的漏极为电流比较电路的反相输入端，电流比较电路的反相输入端连接参考存储单元(在图中没有示出)。电流比较电路的工作原理为：同相输入端取得采样被读取存储单元的读取电流IWC，反向输入端取得流过参考存储单元的参考电流IMRC，两者经过比较后的结果在节点A点输出，节点A为电流比较电流的输出端。若IWC＞IMRC，则节点A输出判定为高电平，反之，节点A输出判定为低电平。
反馈钳位电路100是一种常见的电路，包括运算放大器I1、晶体管PM3和晶体管NM3，其中，晶体管PM3的源极为反馈钳位电路的采样电流输出端，漏极为反馈钳位电路的钳位电压输出(IO)端，连接电源VDDSA的运算放大器I1的输入端口分别接晶体管PM3的漏极IO和由系统提供给运算放大器I1的参考电压SA_REF；运算放大器的输出端与晶体管PM3的栅极相连接。运算放大器I1和PM17构成的负反馈环路使IO端电压钳位在稳定的电平；晶体管NM3的源级接IO端，其漏极接电源VDDSAPC，而其栅极接预充电控制信号SACHRG，该信号是由系统中地址变换感测器(ATD)模块触发的时序，晶体管NM3的作用是在ATD触发下对IO端进行预充电。
负载平衡电路200包括反相器I2、开关S0、S1和动态负载I3，开关S0、S1为受读取系统提供的读取控制信号控制导通和关断的开关，其中，反相器I2的输入端接由读取系统提供的读取控制信号READ，反相器I2的输出端控制开关S0的导通和关断；动态负载通过开关S0、被读取存储单元MC通过开关S1连接到反馈钳位电路100的IO端。当电流模灵敏放大器处于读取放大期间时，信号READ为“1”，开关S0断开，开关S1接通，IO端与被读取储存单元MC连通，在IO端有采样电流IMC；当电流模灵敏放大器处于读取间隔期间时，信号READ为“0”，开关S0接通，开关S1断开，IO端与动态负载I3连通，在IO端流出通过动态负载I3的电流ILB，动态负载可以采用电流源。负载平衡电路中也可以采用反相器I2的输出端控制开关S1的导通和关断，相应地，信号READ为“1”时，开关S1断开，开关S0接通；信号READ为“0”，开关S1接通，开关S0断开，
输出整形电路600用于增强电流模灵敏放大器的输出驱动能力，包括两个反相器I4和I5，反相器I4的输入端连接在电流比较电路300的节点A，输出端与反相器I5的输入端连接，反相器I4进行模拟输出到数字电平的转换，反相器I5进行缓冲输出信号SA_OUT。反相器I5的输出端为整个灵敏放大器的输出(数字0或1信号)端。
常规的电流模灵敏放大器，没有使用动态负载，反馈钳位电路的负载电流的最大变化量为IMC，MAX，最小变化量为IMC，MIN。对本发明的电流模灵敏放大器，反馈钳位电路IO端通过负载平衡电路为被读取存储单元提供电压，在负载平衡电路的动态负载的电流最大变化量为MAX{(IMC，MAX-ILB)，(ILB-IMC，MIN)}，其中IMC，MAX＞ILB＞IMC，MIN。与常规的电流模灵敏放大器相比，本发明中最大负载电流变化量较小，因此引起对电位节点的电压VIO调制变化也相对较小，从而减小了电流模灵敏放大器读取过程中引入的电流采样误差，改善了读取裕度。
本发明电流模灵敏放大器中采用的负载平衡电路的动态负载除电流源外有多种选择，可以采用电阻或电流镜。
动态负载采用电阻的电路图参见图5，电阻R1的一端通过开关S0连接到反馈钳位电路的IO端，另一端接地，当电流模灵敏放大器处于读取间隔期间时，信号READ为“0”，IO端与电阻R1连通，反馈钳位电路采样从IO端流出通过电阻R1的电流ILB1。
动态负载采用电流镜的电路图参见图6，晶体管NM4和NM5组成电流镜，晶体管NM4和NM5的栅极连接在一起，并与晶体管NM4的漏极连接，晶体管NM4的源极接地，晶体管NM5的源极接地，漏极通过开关S0连接到反馈钳位电路的IO端。当外部电流向晶体管NM4的漏端B点输入电流ILB2时，在晶体管NM5上产生镜像电流ILB2。当电流模灵敏放大器处于读取间隔期间时，信号READ为“0”，IO端与晶体管NM5连通，反馈钳位电路采样从IO端流出通过晶体管NM5的电流ILB2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种电流模灵敏放大器，其特征在于，所述电流模灵敏放大器用于阵列存储器存储单元信息读取，包括反馈钳位电路、负载平衡电路、电流比较电路，其中 
所述反馈钳位电路的钳位电压输出端通过负载平衡电路为被读取存储单元提供钳位电压； 
所述负载平衡电路用于平衡所述反馈钳位电路连接不同负载时的输出电压； 
所述电流比较电路包括同相输入端、反相输入端和输出端，同相输入端与所述反馈钳位电路的采样电流输出端连接，反相输入端用于连接参考存储单元，输出端用于输出电流比较电路的比较结果； 
所述负载平衡电路包括反相器、第一开关、第二开关和动态负载，其中， 
动态负载通过第一开关、被读取存储单元通过第二开关连接到所述反馈钳位电路的钳位电压输出端，所述第一开关和第二开关为受读取系统提供的读取控制信号控制导通和关断的开关； 
所述读取系统提供的读取控制信号接所述反相器的输入端，所述反相器的输出端连接第一开关或第二开关。 
2.根据权利要求1所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述反相器的输出端连接第一开关，所述读取控制信号为“1”，第一开关断开，第二开关接通；所述读取控制信号为“0”，第一开关接通，第二开关断开。 
3.根据权利要求1所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述反相器的输出端连接第二开关，所述读取控制信号为“1”，第一开关接通，第二开关断开；所述读取控制信号为“0”，第一开关断开，第二开关接通。 
4.根据权利要求1、2或3所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述动态负载采用电流源，所述电流源的一端与第一开关连接，另一端接地。 
5.根据权利要求1、2或3所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述动态负载采用电阻，所述电阻的一端与第一开关连接，另一端接地。 
6.根据权利要求1、2或3所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述动态负载采用电流镜，所述电流镜包括两个晶体管，其中第一晶体管和第二晶体管的栅极连接在一起，并与第一晶体管的漏极连接，第一晶体管的源极接地， 第一晶体管的漏极用于施加外部电流；第二晶体管的源极接地，漏极通过所述第一开关连接到反馈钳位电路输出端。 
7.根据权利要求1-3任一项所述的电流模灵敏放大器，其特征在于，所述电流比较电路的输出端连接输出整形电路，所述输出整形电路包括两个反相器，其中第一反相器的输入端连接所述电流比较电路的输出端，第一反相器的输出端连接第二反相器的输入端，第二反相器的输出端用于输出所述比较结果的整形结果。 
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