CN108288480B - 一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，包括主级电路、从级电路以及开关电路，主级电路包括两个磁隧道结以及一个输出电路，从级电路包括锁存电路以及反馈电路，磁隧道结进行写操作后将一个电压差作为输出电路的输入，输出电路输出两个幅值相反的信号到锁存电路，锁存电路会输出整个读出灵敏放大器的输出信号，同时反馈电路接收锁存电路的输出，并产生一个读完成信号，读完成信号传输给外部控制电路，外部控制电路则根据读完成信号切断主级电路的电源以降低功耗，主级电路在被切断电源之后，从级电路可以将主级电路的信号锁存起来，本发明只需一步使能，没有预充电过程，能够锁存数据，同时还可以大幅度的降低功耗。

Description

一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器。

背景技术

现今，非易失性存储器受到了广泛的关注，其中磁隧道结(Magnetic TunnelJunction，MTJ)通常作为其主要器件，而读出灵敏放大器则是用于读出MTJ的状态，并将其转化为逻辑电平，目前所使用的读出灵敏放大器，有基于静态随机存储器的读出灵敏放大器，其拓扑结构简单但是精确度较低；有基于动态电流模型的读出灵敏放大器，功耗低，读取速度高；还有预充电的读出灵敏放大器，读取功率降低到几乎可以忽略的地步，并且读取延迟较低；上述三类的读出灵敏放大器有各自的优缺点，但是他们共同存在的缺点是都是需要两步使能才能实现，并且都需要一个预充电的过程，即会不可避免的导致输出都为高电平，而这些情况在某些场合中可能不合需要；为此产生了一种1TIMTJ读系统，不需要多步使能并且可以避免预充电的过程，但是整个电路中存在一定的静态损耗。以上的四类的读出灵敏放大器，当需要保持数据以确保整个电路的操作时，会大大的增加读电路的功耗。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，只需一步使能，能够锁存数据并降低功耗。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，包括用于输出逻辑电平的主级电路、用于将主级电路输出数据锁存起来的从级电路以及用于为主级电路、从级电路传输工作电压的开关电路，所述开关电路包括一个用于接收开启和关闭信息的使能端、控制电源传输到主级电路的第一开关以及控制电源传输到从级电路的第二开关，所述第一开关、所述第二开关均包括用于接收开启和关闭信号的控制端，所述第一开关的控制端和所述第二开关的控制端分别与所述使能端连接，所述第一开关和所述第二开关分别为主级电路和从级电路提供电源，从而可以实现一步使能；所述主级电路包括第一磁隧道结、第二磁隧道结以及输出电路，所述第一磁隧道结与第二磁隧道结状态相反，所述输出电路的两个输入端分别连接到第一磁隧道结的输入端、第二磁隧道结的输入端，所述输出电路包括第一输出端和第二输出端；所述从级电路包括反馈电路以及用于将输出电路输出数据锁存起来的锁存电路，所述输出电路、锁存电路以及反馈电路依次连接，所述第一输出端、第二输出端分别与锁存电路连接，所述反馈电路包括用于输出读完成信号到外部控制电路从而关闭主级电路电源的反馈信号端，所述反馈信号端与所述第一开关的控制端进行数据传输。

进一步，所述输出电路为电压比较器，根据第一磁隧道结、第二磁隧道结产生的电压差输出两个幅值相反的信号。

进一步，所述主级电路还包括将输入电流等比输出的电流镜，所述电流镜输出两个幅值相同的电流到第一磁隧道结、第二磁隧道结。电流镜为1：1输出电路，输出电流的大小等于输入电流，并且电流镜同时输出两个幅值相同的电流到第一磁隧道结、第二磁隧道结。

进一步，所述电流镜包括第一MOS管以及第二MOS管，所述第一MOS管的漏极、第二MOS管的漏极分别与第一磁隧道结的输入端、第二磁隧道结的输入端连接，所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接并连接到所述第一MOS管的漏极，所述第一MOS管的源极与第二MOS管的源极连接并与开关电路连接。

进一步，所述锁存电路包括第一或非门以及第二或非门，所述第一或非门包括两个输入端，所述输出电路的第一输出端以及第二或非门的输出端分别连接到第一或非门的两个输入端上，所述第二或非门包括两个输入端，所述输出电路的第二输出端、第一或非门的输出端分别连接到第二或非门的两个输入端上；所述从级电路还包括信号输出端，所述信号输出端为第一或非门的输出端。锁存电路由两个或非门组成，第一或非门和第二或非门的输出端和输入端之间相互连接，实现数据锁存的功能。

进一步，所述反馈电路为异或门，所述异或门的两个输入端分别与第一或非门的输出端、第二或非门的输出端连接，所述异或门的输出端为反馈信号端，所述反馈信号端为反馈电路的输出端。

进一步，所述第二开关的控制端与使能端之间连接有一个延时器。延时器使得第二开关开启的时间比第一开关晚，从而保证从级电路开启时间要比主级电路晚，可以节省一部分的能耗。

进一步，所述反馈电路通过外部控制电路控制第一开关的通断。外部控制电路可以根据反馈信号来控制第一开关，从而实现对主级电路电源的控制，可以切断主级电路的电源供给，减少功耗。

本发明的有益效果是：本发明采用的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，开关电路上设置有一个使能端，当使能端接收到开启信号时，可以为主级电路和从级电路传输电能，可以达到一步使能的效果，而主级电路内部包括磁隧道结，当相同幅值的电流分别通过两个磁隧道结时，由于两个磁隧道结的状态是相反的，所以它们的电阻值不同，故两个磁隧道结的电压也不同，将两个磁隧道结的电压差作为输出电路的输入，经输出电路处理后得到两个幅值相反的信号，这两个信号经过从级电路内部的反馈电路后会输出读完成信号，读完成信号被传输到外部控制电路，外部控制电路在接收到读完成信号后切断主级电路的电源，在切断主级电路之后，从级电路的输入发生变化，而从级电路内部的锁存电路将数据锁存，本发明的读操作过程中只需一步使能，在能够锁存数据的同时可以较大的降低功耗。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器的电路结构图；

图2是本发明一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器的原理框图；

图3是本发明各个输出信号的变化图。

具体实施方式

参照图1-图2，本发明的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，包括主级电路1以及从级电路2，主级电路1包括一个1：1的电流镜、一个作为输出电路13的电压比较器以及两个磁隧道结，第一磁隧道结11和第二磁隧道结12状态相反，第一磁隧道结11和第二磁隧道结12分别与电流镜14连接，接收电流镜14产生的相同幅值的电流，由于两个磁隧道结状态相反，所以第一磁隧道结11和第二磁隧道结12的电阻大小也不相同，在第一磁隧道结11和第二磁隧道结12两端的电压降自然也不相同，电压比较器的两个输入端分别与第一磁隧道结11的输入端、第二磁隧道结12的输入端连接，根据上述两者的电压差经过处理后输出两个幅值相反的信号，这两个幅值相反的信号作为从级电路2的输入信号。

从级电路2包括锁存电路21和反馈电路22，锁存电路21包括两个或非门，第一或非门211的输入为电压比较器的第一输出端131的输出以及第二或非门212的输出，第二或非门212的输入为电压比较器的第二输出端132的输出以及第一或非门211的输出，而第一或非门211的输出端即为信号输出端213，信号输出端213输出的信号即为整个读出灵敏放大器输出的信号；反馈电路22由一个异或门构成，异或门的输入为第一或非门211的输出以及第二或非门212的输出，异或门的输出端即为反馈信号端221。

反馈信号端221输出读完成信号到外部控制电路，外部控制电路在接收到读完成信号后切断主级电路1的电源，降低功耗，而在主级电路1电源被切断之后，电压比较器的第一输出端131和第二输出端132输出的信号都变为低电平信号，此时第一或非门211和第二或非门212等同于两个方向相反的非门组成的锁存器，因此，数据可以在没有静态电流的情况下被锁存起来。

本发明的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，还包括开关电路3，开关电路3包括一个使能端33，接受外部控制电路的控制信号，可以达到一步使能的效果，而开关电路3包括第一开关31和第二开关32，第一开关31与主级电路1连接，用于控制主级电路1的电源，第二开关32与从级电路2连接，用于控制从级电路2的电源，当反馈电路22输出读完成信号到外部控制电路后，外部控制电路控制第一开关31切断主级电路1的电源以降低功耗，此时，数据可以被锁存电路21锁存起来，当数据被使用后，外部控制电路又可以控制第二开关32切断从级电路2的电源，进一步降低功耗。

具体地，在第二开关32和使能端33之间连接有一个延时器34，可以使得从级电路2的开启比主级电路1慢一些，从而可以节省部分的能耗，具体的延时时间根据具体情况设置。

具体地，输出电路13的两个输入端分别与第一磁隧道结11的输入端、第二磁隧道结12的输入端连接，输出电路13包括第一输出端131和第二输出端132，第一输出端131与第一或非门211的输入端连接，第二输出端132与第二或非门212的输入端连接。

具体地，电流镜14包括第一MOS管141以及第二MOS管142，第一MOS管141的源极、第二MOS管142的源极连接，第一MOS管141的栅极、第二MOS管142的栅极连接并连接到第一MOS管141的漏极，而第一MOS管141的漏极、第二MOS管142的漏极分别与第一磁隧道结11、第二磁隧道结12连接，电流镜14为1：1输出电路，输出电流的大小等于输入电流，并且电流镜14同时输出两个幅值相同的电流到第一磁隧道结11、第二磁隧道结12。

具体地，第一MOS管141的源极以及第二MOS管142的源极与第一开关31连接，同时第一开关31也与电压比较器连接，为其供电，而第二开关32为第一或非门211、第二或非门212、异或门22供电。

参照图3，本发明的各个输出信号的变化图，其中信号“Read_request”表示外部读请求信号，信号“S0”表示主级电路1的开关信号，信号“S1”表示从级电路2的开关信号，信号“Mout”和信号“Mout_bar”分别表示主级电路1中电压比较器的输出信号，信号“Qout”代表整个读出灵敏放大器的输出信号，信号“Read_finish”表示由从级电路2产生的读完成信号，t0-t2是读数据‘1’的过程，t3-t5是读数据‘0’的过程。

在t0时刻，外部读请求信号使能，“S0”打开；在t0-t1期间，主级电路1读出第一磁隧道结11和第二磁隧道结12的电压差并转化成相应的逻辑电平，“Mout”和“Mout_bar”逻辑相反，产生相应的数据“Qout”和“Read_finish”，信号“Read_finish”用于关闭“S0”即主级电路1，在主级电路1被关闭之后，如前所述，“Mout”和“Mout_bar”都为0，“Qout”被从级电路2锁存，在t2时刻，当所有的数据操作完成后关闭“S1”，所有的信号被拉低到0。

本发明的读出灵敏放大器只需一步使能，没有预充电的过程，能够锁存数据并降低功耗，下面通过一组数据来证明本发明确实能降低功耗。

首先，读出灵敏放大器的总功耗是主级电路1的功耗与第一磁隧道结11、第二磁隧道结12组成的写电路的功耗之和，平均功耗的计算可以通过下式得到：

其中，P表示功耗，u(t)和i(t)分别表示瞬时电压和瞬时电流，T表示读出灵敏放大器的工作时间。

根据平均功耗的计算公式以及常用的瞬时输入电压值和瞬时输入电流值，计算得出本发明写电路功耗、主级电路1读操作功耗以及整个电路的功耗，并与没有从级电路2的读出灵敏放大器进行比较，将数据记录于下表中，根据表中数据可得，低功耗数据锁存读出灵敏放大器的功耗比没有从级电路2的读出灵敏放大器少30.5％。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：包括用于输出逻辑电平的主级电路(1)、用于将主级电路(1)输出数据锁存起来的从级电路(2)以及用于为主级电路(1)、从级电路(2)传输工作电压的开关电路(3)，所述开关电路(3)包括一个用于接收开启和关闭信息的使能端(33)、控制电源传输到所述主级电路(1)的第一开关(31)和控制电源传输到所述从级电路(2)的第二开关(32)，所述第一开关(31)和所述第二开关(32)均包括用于接收开启和关闭信号的控制端，所述第一开关(31)的控制端和所述第二开关(32)的控制端分别与所述使能端(33)连接；所述主级电路(1)包括第一磁隧道结(11)、第二磁隧道结(12)以及输出电路(13)，所述第一磁隧道结(11)与第二磁隧道结(12)状态相反，所述输出电路(13)的两个输入端分别连接到第一磁隧道结(11)的输入端、第二磁隧道结(12)的输入端，所述输出电路(13)包括第一输出端(131)和第二输出端(132)；所述从级电路(2)包括反馈电路(22)以及用于将输出电路(13)输出数据锁存起来的锁存电路(21)，所述输出电路(13)、锁存电路(21)以及反馈电路(22)依次连接，所述第一输出端(131)、第二输出端(132)分别与锁存电路(21)连接，所述反馈电路(22)包括用于输出读完成信号到外部控制电路从而关闭主级电路(1)电源的反馈信号端(221)，所述反馈信号端(221)与所述第一开关(31)的控制端进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述输出电路(13)为电压比较器，所述电压比较器根据第一磁隧道结(11)、第二磁隧道结(12)产生的电压差输出两个幅值相反的信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述主级电路(1)还包括将输入电流等比输出的电流镜(14)，所述电流镜(14)输出两个幅值相同的电流到第一磁隧道结(11)、第二磁隧道结(12)。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述电流镜(14)包括第一MOS管(141)以及第二MOS管(142)，所述第一MOS管(141)的漏极、第二MOS管(142)的漏极分别与第一磁隧道结(11)的输入端、第二磁隧道结(12)的输入端连接，所述第一MOS管(141)的栅极与第二MOS管(142)的栅极连接并连接到所述第一MOS管(141)的漏极，所述第一MOS管(141)的源极与第二MOS管(142)的源极连接并与开关电路(3)连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述锁存电路(21)包括第一或非门(211)以及第二或非门(212)，所述第一或非门(211)包括两个输入端，所述输出电路(13)的第一输出端(131)以及第二或非门(212)的输出端分别连接到第一或非门(211)的两个输入端上，所述第二或非门(212)包括两个输入端，所述输出电路(13)的第二输出端(132)、第一或非门(211)的输出端分别连接到第二或非门(212)的两个输入端上；所述从级电路(2)还包括信号输出端(213)，所述信号输出端(213)为第一或非门(211)的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述反馈电路(22)为异或门，所述异或门的两个输入端分别与第一或非门(211)的输出端、第二或非门(212)的输出端连接，所述异或门的输出端为反馈信号端(221)，所述反馈信号端(221)为反馈电路(22)的输出端。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述第二开关(32)的控制端与使能端(33)之间连接有一个延时器(34)。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁隧道结的数据锁存读出灵敏放大器，其特征在于：所述反馈电路(22)通过外部控制电路控制第一开关(31)的通断。

Images