CN102768852A - 灵敏放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灵敏放大器，涉及电路技术领域，包括：电流采样电路，电流/电压转换电路以及锁存放大电路，所述电流采样电路连接所述电流/电压转换电路和锁存放大电路，所述电流采样电路用于采样位线及非位线上的电流差，所述电流/电压转换电路将所述电流差转换成电压差，所述锁存放大电路放大所述电压差，并切断电流采样电路以及电流/电压转换电路的电流通路。本发明的灵敏放大器通过电流采样电路对位线上的电流差进行采样，并将其转换为电压信号，输入到后级基于锁存器的放大级，当信号被成功放大后，随即切断前级的直流通路，以停止对位线的继续放电，从而无直流功耗产生，降低了直流功耗。

Description

灵敏放大器

技术领域

本发明涉及存储电路技术领域，特别涉及一种灵敏放大器。

背景技术

基于静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）灵敏放大器能够感应微小的信号差别，并迅速将其放大，因此在SRAM存储器设计中常被用作读出电路中的一部分。在进行读操作时，被选中单元对所在位线放电，利用灵敏放大器快速感应该条位线上的信号差异，并将其放大，进而得到单元内存储数据。由于灵敏放大器能快速的放大微小信号，因此，使用灵敏放大器能够大幅的提高数据读出速度。另一方面，由于灵敏放大器能感应位线上较小的信号变化，因此，在读出过程中，可以减小位线的摆幅，进而节省了大量的位线充放电功耗。可见，灵敏放大器作为SRAM的外围电路，对整个存储器的速度和功耗等方面起着至关重要的作用。

通常，灵敏放大器有2个工作阶段，感应阶段和放大阶段。大部分的灵敏放大器都采用交叉耦合晶体管的拓扑结构来完成信号的放大，信号的采样则通常可分为电压式和电流式两种，分别采样电压差和电流差。

电流采样式灵敏放大器与电压采样放大器的主要区别在于，它在采样阶段，所采样的信号是位线上的电流信号，而非位线上的电压。电流采样部分是由4个相同的P（P1~P4）管组成的电流传输电路（Current Conveyor Circuit）^[1]，如图1所示。假定，在整个读出过程中BL和BLB都被预充到VDD，且4个PMOS管都工作在饱和区域。在不工作时，CS保持被置为VDD，使P3和P4截止。当CS由VDD变为0时，则开始采样。由于P1-P4都处于饱和区，因此其电流只与栅源电压差VGS相关。因此，P1、P3的VGS应该相等，而P2和P4的VGS也应相等，进而可推算出BL和BLB出的电压都为V1+V2。也就是说，既是在BL和BLB上电压都为VDD时，该电路也能将两条位线上的电流差采样。因此，它不需要像电压采样灵敏放大器一样，需要当BL和BLB上形成一定电压差之后再进行读取，它可以直接采样位线电流。因此，相对于电流采样型的灵敏放大器，电流采样型灵敏放大器有较高的速度，且减小了位线上的充放电摆幅。通常，在此结构的下面加上电流镜，就能构成完整的灵敏放大器结构。

如前所述，电流采样型灵敏放大器能够快速采样位线上的电流差，而不需等待位线上产生电压差，因此，相对于电压采样型的灵敏放大器，它有较高的速度，且减小了位线上的充放电摆幅，节省了位线的充放电功耗。然而，传统的电流采样型灵敏放大器采用电流镜作为后级放大级，电流镜会产生直流通路，因此会使灵敏放大器本身具有较大的直流功耗。

参考文献如下：

[1]Evert Seevinck,Petrus J.van Beers,and Hans Ontrop,“Current-Mode Techniques for High-speed VLSI Circuits withApplication to Current Sense Amplifier for CMOS SRAM’s”IEEEJOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.26,NO.4,APRIL1991

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：如何降低电流采样型灵敏放大器的直流功耗。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种灵敏放大器，包括：电流采样电路，电流/电压转换电路以及锁存放大电路，所述电流采样电路连接所述电流/电压转换电路和锁存放大电路，所述电流采样电路用于采样位线及非位线上的电流差，所述电流/电压转换电路将所述电流差转换成电压差，所述锁存放大电路放大所述电压差，并切断电流采样电路以及电流/电压转换电路的电流通路。

其中，所述电流/电压转换电路包括四个MOS管，第一MOS管和第三MOS管为一组，第一MOS管的源极和第三MOS管的源极连接至所述电流采样电路的位线电流输出端，第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极接地；第二MOS管和第四MOS管为一组，第二MOS管的源极和第四MOS管的源极连接至所述电流采样电路的非位线电流输出端，第二MOS管的漏极和第四MOS管的漏极接地；第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极相连，并连接所述锁存放大电路的尾管的漏极，第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极用于连接控制信号。

其中，所述四个MOS管均为NMOS管。

（三）有益效果

本发明的灵敏放大器通过电流采样电路对位线上的电流差进行采样，并将其转换为电压信号，输入到后级基于锁存器的放大级，当信号被成功放大后，随即切断前级的直流通路，以停止对位线的继续放电，从而无直流功耗产生，降低了直流功耗。

附图说明

图1是现有技术中的一种灵敏放大器结构示意图；

图2是本发明实施例的一种灵敏放大器结构示意图。

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。

本实施例提出了一种新型的混合灵敏放大器设计，如图2所示。包括：电流采样电路、电流/电压转换电路以及锁存放大电路。电流采样电路采用了图1中的4个PMOS管（P1~P4）结构，P3、P4的栅极均连接控制信号CS，P1、P2管的栅极分别连接P4、P3管的源极。电流采样电路对位线BL和非位线BLB上的电流差进行采样，并将采样的电流信号输出至电流/电压转换电路，电流/电压转换电路将其转换为电压信号，输出到后级基于锁存器的放大级，当信号被成功放大后，随即切断电流采样电路以及电流/电压转换电路的电流通路，以停止对位线的继续放电。

本实施例中，电流/电压转换电路包括四个NMOS管，第一NMOS管N1和第三NMOS管N3为一组，N1的源极和N3的源极连接至电流采样电路的位线BL电流输出端Node1，N1的漏极和N3的漏极接地。第二NMOS管N2和第四NMOS管N4为一组，N2的源极和N4的源极连接至电流采样电路的非位线电流输出端Node2，N2的漏极和N4的漏极接地。N1的栅极和N2的栅极相连，并连接锁存放大电路的尾管N5的漏极Node3，N3的栅极和N4的栅极用于连接控制信号CS。

本实施例中的锁存放大电路采用现有的锁存放大电路结构，如图2中右边部分所示，包括由P5、P6、P7、P8、N6、N7形成的锁存结构和尾管N5，其中，Node1、Node2和Node3与右边部分电路中的Node1、Node2和Node3对应连接以形成整个灵敏放大器。

图2中的灵敏放大器具体工作过程如下：

不进行读取操作时，CS=VDD，EN=0。此时，由于CS为高电平，P1~P4管截止，此时不进行电流采样，同时N3管和N4管导通，将node1和node2放电至0。对于后级放大级，由于EN为低电平，N5管截止，放大级的下拉通路截止，且由于node1和node2为低电平，P7和P8导通（在工作时P5、P6、P7和P8的上端连接VDD），将输出节点out和/out充电至高电平，N6管和N7管导通，将node3充电至约为VDD－Vth（Vth为NMOS管的阈值电压，可认为所有NMOS管的阈值电压是相同的）。在该过程中，由于N5管截止，不存在电源到地的直流通路，因此没有直流功耗。

当CS由VDD变为0时，电路进入采样阶段。此时，N3管和N4管截止，P1~P4管开始工作，对位线BL和非位线BLB上的电流进行采样，并流向N1管和N2管。由于此时N1和N2管处于线性工作区，且两管的栅极电压相等，因此，流向N1和N2管的电流差最终将反应成N1和N2管漏极电压的电压差，也即将采样到的电流信号差转换成电压信号差，且该电压信号经由电流转换而成，与位线上的电压无关，因此，可以迅速获得，且通过调节N1和N2管的宽长比，还可以进一步放大该信号差。

当电平信号被成功采样后，被送入后级进行放大。后级放大电路类似于CLSA。由于P7管和P8管的栅极电压为N3管和N4管的漏端电压，即node1和node2，因此node1和node2上电压差会造成P7管和P8管的电流差，该电流差流入到该放大器中由两个反相器构成的锁存结构里，通过正反馈将其迅速放大，最终以全摆幅输出到输出节点out和/out上。当信号放大结束后，node3节点电平变为0，NMOS管N1和N2截止，前级电流通路被切断。原来流入到N3管和N4管中的电流将注入到P7管和P8管的栅极。且由于栅极电阻非常大，流入栅极的电流会使栅极电压迅速变大并上升至VDD，使P7和P8管截止。而当后级放大结束后，P5，P6，N6和N7形成锁存的模式，此时后级中也不存在直流通路，因此，相比与使用电流镜或者使用尾电流源的电流式灵敏放大器，图2中的灵敏放大器能在放大结束后切断所有直流通路，进而无直流功耗产生。该结构具有较小的功耗，且考虑到它采用的是电流信号不需要等待位线电压下降，该灵敏放大器其具有较高速度。

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 (3)

1.一种灵敏放大器，其特征在于，包括：电流采样电路，电流/电压转换电路以及锁存放大电路，所述电流采样电路连接所述电流/电压转换电路和锁存放大电路，所述电流采样电路用于采样位线及非位线上的电流差，所述电流/电压转换电路将所述电流差转换成电压差，所述锁存放大电路放大所述电压差，并切断电流采样电路以及电流/电压转换电路的电流通路。

2.如权利要求1所述的灵敏放大器，其特征在于，所述电流/电压转换电路包括四个MOS管，第一MOS管和第三MOS管为一组，第一MOS管的源极和第三MOS管的源极连接至所述电流采样电路的位线电流输出端，第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极接地；第二MOS管和第四MOS管为一组，第二MOS管的源极和第四MOS管的源极连接至所述电流采样电路的非位线电流输出端，第二MOS管的漏极和第四MOS管的漏极接地；第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极相连，并连接所述锁存放大电路的尾管的漏极，第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极用于连接控制信号。

3.如权利要求1所述的灵敏放大器，其特征在于，所述四个MOS管均为NMOS管。

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