CN108182957A - 一种使用参考电压的mram读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用参考电压的MRAM读出电路，包括参考电压产生器、参考电阻组合和比较器；其中，参考电压产生器用于对每一个MRAM芯片进行产线测试时设定参考电压；参考电阻组合由多个相同的参考电阻组成，每一个所述参考电阻的一端与一个存储单元x串联，比较器通过比较参考电压产生器输出B点和参考电阻与存储单元连接点Ax两点之间的电压差来决定存储单元x是在P状态还是AP状态。本发明公开的读出电路的功耗只是传统电路的20％左右，并且不需要再使用占很大芯片面积的参考单元，节省了成本。

Description

一种使用参考电压的MRAM读出电路
技术领域
本发明属于半导体芯片存储器领域，尤其涉及一种使用参考电压的MRAM读出电路。
背景技术
磁性随机存储器(MRAM)是一种新兴的非挥发性存储技术。它拥有高速的读写速度和高集成度，且可以被无限次的重复写入。MRAM可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。
MRAM具有很好的经济性和性能，它的单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。MRAM读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好；而且MRAM与标准CMOS半导体工艺兼容，DRAM以及Flash与标准CMOS半导体工艺不兼容；MRAM还可以和逻辑电路集成到一个芯片中。
MRAM基于MTJ(磁性隧道结)结构。由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1所示：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，后一种情况电阻高。
读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。写MRAM使用比较新的STT-MRAM技术使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。
如图2所示，每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个NMOS管组成。NMOS管的门极(gate)连接到芯片的Word Line负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的BitLine上。读写操作在Bit Line上进行。
如图3所示，一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：
●行地址解码器：把收到的地址变成Word Line的选择
●列地址解码器：把收到的地址变成Bit Line的选择
●读写控制器：控制Bit Line上的读(测量)写(加电流)操作
●输入输出控制：和外部交换数据
MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于MTJ的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态记忆单元作为参考单元。再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。
MRAM的读出过程是对存储单元电阻的检测和比较。一般通过参考单元组合成一个标准电阻来和存储单元进行比较来判定存储单元是处在高阻态还是低阻态。
图4是现有技术的一种MRAM读出电路原理图，图4所示的P1、P2、P3是相同PMOS管，形成电流镜，上面的每一路的电流是相等的(I_read)。电阻的差别造成V_out和V_out_n的差别，被输入到下一级的比较器产生输出。图4中的例子是一路存储单元，对比一路置于P状态的参考单元和一路AP状态下的参考单元。实际使用中可以有多路存储单元对比m路AP和n路P参考单元。
使用参考单元可以抵消由加工工艺不均匀造成的存储单元电阻的浮动，一般都在一个阵列中添加一些列作为参考单元，进行读操作时，同一行的存储单元和参考单元进行比较，可以抵消不同行由于位线长度不同造成的总电阻变化，但这样会牺牲一部分芯片面积专用于做参考单元。
图4示出的现有技术一种MRAM读出电路的一个问题是是耗电较大。测量存储单元的电阻时，不可避免地通直流电，这种读出电路的功耗占了MRAM读功耗的大部分。此电路中要产生一定的信号强度就要求一定的I_read，而该电路的读功耗正比于V_DD*I_read。实际上，存储单元上的电压只有150-200mV，而V_DD通常是1.2V，因此，在使用该读出电路的MRAM中，绝大部分功耗不是消耗在存储单元上，而是在读出电路上。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种使用参考电压的MRAM读出电路，使用参考电阻取代参考单元，能够有效降低MRAM读出电路的读功耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种使用参考电压的MRAM读出电路，包括参考电压产生器、参考电阻组合和比较器；
所述参考电压产生器用于对每一个MRAM芯片进行产线测试时设定参考电压，输出参考电压，所述参考电压产生器的输出点设为B点；
所述参考电阻组合由多个相同的参考电阻组成，每一个所述参考电阻的一端与一个存储单元x(x＝1、2、…)串联，串联连接点为Ax(x＝1、2、…)；
所述存储单元x(x＝1、2、…)的另一端连接基准电压V_b，在进行读操作时，所述参考电阻的另一端在所述基准电压V_b的基础上增加一个电压V_read；
所述比较器位于所述Ax和B两点之间，通过比较所述两点之间的电压差来决定所述存储单元x(x＝1、2、…)是在P状态还是AP状态。
进一步地，所述参考电压产生器是可配置的，所述可配置参考电压产生器根据所述MRAM芯片内温度传感器产生的温度变化调整所述参考电压。
进一步地，所述可配置参考电压产生器输入所述MRAM存储单元的阵列行地址，根据所述行地址调整所述参考电压。
进一步地，所述V_read的取值范围为(-250mV，250mV)。
本发明还提供了一种使用参考电压的MRAM读出电路，每一个存储单元配备一个参考电压产生器，对每一条读出通道单独进行调整。
本发明公开的读出电路每一路的读功耗为V_read*I_read，而传统技术的读功耗为V_DD*I_read，两种电路中的I_read接近，因此，本发明公开的读出电路的功耗只是传统电路的20％左右。此外，本发明公开的读出电路不需要再使用占很大芯片面积的参考单元，节省了成本。
附图说明
图1是现有技术MTJ示意图。
图2是现有技术MRAM存储单元架构示意图。
图3是现有技术MRAM芯片架构图。
图4是现有技术一种MRAM读出电路原理图。
图5是本发明一较佳实施例的使用参考电压的MRAM读出电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图5示出了一种使用参考电压的MRAM读出电路，包括参考电压产生器、参考电阻组合和比较器。
参考电压产生器用于对每一个MRAM芯片进行产线测试时设定参考电压，输出参考电压，参考电压产生器的输出点设为B点。参考电压产生器为可配置的，考虑到存储单元的电阻会随温度飘动，可配置参考电压产生器根据所述MRAM芯片内温度传感器产生的温度变化调整参考电压。
此外，考虑到MRAM存储单元的阵列不同行上的位线长度不同会带来的总电阻变化，可配置参考电压产生器输入所述行地址，根据行地址调整参考电压。
参考电阻组合由多个相同的参考电阻组成，每一个参考电阻的一端与一个存储单元x(x＝1、2、…)串联，串联连接点为Ax(x＝1、2、…)，多个个存储单元并联操作，共享一个可配置的参考电压生器。
比较器位于Ax和B两点之间，通过比较两点之间的电压差来决定存储单元x(x＝1、2、…)是在P状态还是AP状态。
存储单元x(x＝1、2、…)的另一端连接基准电压V_b，在进行读操作时，参考电阻的另一端在基准电压V_b的基础上增加一个电压V_read，V_read的取值范围为(-250mV，250mV)。
在本发明的较佳实施例中，还可以为每一个存储单元配备一个参考电压产生器，对每一条读出通道单独进行调整。
以上实施例中公开的读出电路，每一路的读功耗为V_read*I_read，而传统技术的读功耗为V_DD*I_read，两种电路中的I_read接近，因此，本发明提供的电路的功耗只是传统电路的20％左右。此外，本实施公开的电路不需要再使用占很大芯片面积的参考单元，节省了成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种使用参考电压的MRAM读出电路，包括参考电压产生器、参考电阻组合和比较器，其特征在于，
所述参考电压产生器用于对每一个MRAM芯片进行产线测试时设定参考电压，输出参考电压，所述参考电压产生器的输出点设为B点；
所述参考电阻组合由多个相同的参考电阻组成，每一个所述参考电阻的一端与一个存储单元x(x＝1、2、…)串联，串联连接点为Ax(x＝1、2、…)；
所述存储单元x(x＝1、2、…)的另一端连接基准电压V_b，在进行读操作时，所述参考电阻的另一端在所述基准电压V_b的基础上增加一个电压V_read；
所述比较器位于所述Ax和B两点之间，通过比较所述两点之间的电压差来决定所述存储单元x(x＝1、2、…)是在P状态还是AP状态。
2.如权利要求1所述的使用参考电压的MRAM读出电路，其特征在于，所述参考电压产生器是可配置的，所述可配置参考电压产生器根据所述MRAM芯片内温度传感器产生的温度变化调整所述参考电压。
3.如权利要求1所述的使用参考电压的MRAM读出电路，其特征在于，所述参考电压产生器是可配置的，所述可配置参考电压产生器输入所述MRAM存储单元的阵列行地址，根据所述行地址调整所述参考电压。
4.如权利要求1-3任一所述的使用参考电压的MRAM读出电路，其特征在于，所述V_read的取值范围为(-250mV，250mV)。
5.一种使用参考电压的MRAM读出电路，包括参考电压产生器、参考电阻组合和比较器，其特征在于，每一个所述存储单元配备一个所述参考电压产生器，对每一条读出通道单独进行调整。
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