CN113270131A - 一种半电压预充型灵敏放大器 - Google Patents

一种半电压预充型灵敏放大器 Download PDF

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Abstract

一种半电压预充型灵敏放大器，属于集成电路技术领域，包括：灵敏放大器主体电路以及半电压预充电路；灵敏放大器主体电路利用反相器翻转点附近的高增益特性，降低了检测所需的位线电压差，不需要额外电容，并且仅需一条读位线就能够实现高灵敏检测；半电压预充电路利用电荷共享原理，无需使用额外的供电电源便可实现对位线的精准半电压预充，避免了额外电源的设计成本，降低了设计复杂度。本发明缩短SRAM中灵敏放大器的检测延迟时间，同时消除了灵敏放大器使能信号带来的时序问题。

Description

一种半电压预充型灵敏放大器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种半电压预充型灵敏放大器。
背景技术
随着智能手机等消费类电子的快速普及，对高性能低功耗片上系统(System onchip，SoC)的需求持续上升，而近阈值宽电压设计是实现高性能和低功耗设计的最佳选择。作为SoC的重要组成模块，宽电压静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)成为业界的研究热点。灵敏放大器(Sense Amplifier，SA)具有检测小信号摆幅并实现快速放大的功能，成为了SRAM中不可或缺的组成部分之一，并且对SRAM的性能、功耗具有重要影响，所以需要精心设计。低电压下，出现单端读出结构的存储单元，差分SA结构与之不兼容，因此需要一种新型单端SA。
现有技术中，传统的差分型灵敏放大器存在使能时间偏差的问题，为了满足良率，通常会留有一定的裕度，造成了位线放电时间的增加。美国麻省理工学院的Qazi M等人提出了电容耦合型灵敏放大器(AC-coupled SA，ACSA)，这种电容耦合型灵敏放大器利用电容隔离了位线和反相器输入端口，让灵敏放大器初始状态偏置在反相器翻转点附近。位线上只需要几十毫伏的电位差即可检测出来，大大降低了SRAM的读延时。并且电容耦合型灵敏放大器不需要参考电压产生电路，电路的复杂性降低了，另外该结构不需要使能信号，消除了使能信号对灵敏放大器的影响。但是为了将位线上的电压变化耦合到反相器的输入端口，需要较大的耦合电容，因此使得电容耦合型灵敏放大器的面积较大，另外，耦合电容和晶体管的寄生电容会影响反相器偏置点的电位，降低了灵敏放大器的检测速度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的不足而提出了一种半电压预充型灵敏放大器，以便进一步缩短SRAM中灵敏放大器的检测延迟时间。
本发明采用如下技术方案：
一种半电压预充型灵敏放大器包括：半电压预充电路、灵敏放大器主体电路；
其中，灵敏放大器主体电路构成单端灵敏放大器电路结构，只需对一条读位线进行检测；
灵敏放大器主体电路的第一输入端接入灵敏放大器预充信号、第二输入端接入正位线信号、第一输出端输出检测值信号；
半电压预充电路的第一输入端接入位线预充信号、第二输入端接入电位平衡使能信号、第一输出端接入正位线信号、第二输出端接入负位线信号。
优选地，灵敏放大器主体电路包括：第一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一反相器、第二反相器、第一传输管、第二传输管；
其中，第一PMOS管的源极接入工作电压；第一PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极、第一传输管的输入端均连接正位线信号；第一PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一传输管的输出端、第二传输管的输入端连接于同一点；第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极均与地线相连；第二传输门的输出端和第二NMOS管的漏极、第一反相器的输入端连接于同一点；第一反相器的输出端连接检测值信号；第二反相器的输入端、第一传输门的负控制端、第二传输门的正控制端均连接灵敏放大器预充信号；第二反相器的输出端、第一传输门的正控制端、第二传输门的负控制端、第二NMOS管的栅极连接灵敏放大器预充信号的反信号。
优选地，半电压预充电路包括：第二PMOS管、第三NMOS管、第三传输门、第三反相器、第四反相器、第一电容、第二电容；
其中，第二PMOS管的源极接入工作电压；第二PMOS管的栅极、第三反相器的输入端均连接位线预充信号；第二PMOS管的漏极、第三传输门的输入端、第一电容的正极板连接正位线信号；第三NMOS管的漏极、第三传输门的输出端、第二电容的正极板连接负位线信号；第四反相器的输入端、第三传输门的负控制端连接电位平衡使能信号；第四反相器的输出端、第三传输门的正控制端连接电位平衡使能信号的反信号；第三NMOS管的源极、第一电容的负极板、第二电容的负极板接入地线；第三NMOS管的栅极、第三反相器的输出端连接位线预充信号的反信号。
进一步，半电压预充电路的工作状态包括位线电压预充模式和位线电位平衡模式。
位线电压预充模式下，位线预充信号接入地线，电位平衡使能信号接入工作电压，使得第二PMOS管导通、第三NMOS管导通，第三传输门关断，正位线信号被拉高至电源电压，负位线信号被拉低至零电位。
位线电位平衡模式下，位线预充信号接入工作电压，电位平衡使能信号接入地线，使得第二PMOS管关断、第三NMOS管关断，第三传输门导通，正位线信号和负位线信号相连，电荷共享使得正位线信号和负位线信号的电压被平衡至电源电压的一半。
进一步，灵敏放大器主体电路的工作状态包括：半电压预充模式、翻转点偏置模式和高灵敏检测模式。
半电压预充模式下，正位线信号被半电压预充电路预充电至二分之一电源电压；灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此第一传输门关断、第二传输门导通、第二NMOS管关断，检测值信号保持不变。
翻转点偏置模式下，灵敏放大器预充信号接入地线，因此第一传输门导通、第二传输门关断、第二NMOS管导通；第一PMOS管和第一NMOS管构成的反相器输入端和输出端相连，使输入端和输出端的电位移动至翻转点附近；第一反相器的输入端被拉低至零电位，检测值信号被拉高。
高灵敏检测模式包括：
(1)第一种检测情况：存储单元存储数据为0”时，灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此第一传输门关断、第二传输门导通、第二NMOS管关断；正位线通过存储单元放电，正位线信号电位降低，第一反相器输入端电位被拉高，检测值信号被拉低；
(2)第二种检测情况：存储单元存储数据为“1”时，灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此第一传输门关断、第二传输门导通、第二NMOS管关断；正位线不通过存储单元放电，正位线信号电位保持为高电位，第一反相器输入端电位不被拉高，检测值信号保持为高。
本发明提出的一种半电压预充型灵敏放大器，相比现有技术，具有以下有益效果：
1、灵敏放大器主体电路利用反相器翻转点附近的高增益特性，降低了检测所需的位线电压差，不需要加入额外的电容，并且仅需一条读位线就能够实现高灵敏检测。
2、半电压预充电路利用电荷共享原理，无需使用额外的供电电源便可实现对位线的精准半电压预充，避免了额外电源的设计成本，降低了设计复杂度。
附图说明
图1为本发明的半电压预充型灵敏放大器的整体电路结构图；
图中符号标注：
BL：正位线信号；BLB：负位线信号；
Q：检测值信号；
ON：电位平衡使能信号；ONB：电位平衡使能信号的反信号；
PRESA：灵敏放大器预充信号；PRESAB：灵敏放大器预充信号的反信号；
PRE：位线预充信号；PREB：位线预充信号的反信号；
图2为本发明的半电压预充型灵敏放大器的半电压预充模式示意图；
图3为本发明的半电压预充型灵敏放大器的翻转点偏置模式示意图；
图4为高灵敏检测模式中存储单元存储数据为“0”的情况示意图；
图5为高灵敏检测模式中存储单元存储数据为“1”的情况示意图；
图6为本发明的半电压预充型灵敏放大器的工作时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1，一种半电压预充型灵敏放大器包括：半电压预充电路、灵敏放大器主体电路。
其中，灵敏放大器主体电路构成单端灵敏放大器电路结构，只需对一条读位线进行检测。
灵敏放大器主体电路的第一输入端接入灵敏放大器预充信号PRESA、第二输入端接入正位线信号BL、第一输出端输出检测值信号Q。
半电压预充电路的第一输入端接入位线预充信号PRE、第二输入端接入电位平衡使能信号ON、第一输出端接入正位线信号BL、第二输出端接入负位线信号BLB。
本优选实施例中，正位线信号BL由半电压预充电路的第一输出端提供。
具体地，
灵敏放大器主体电路包括：第一PMOS管P1、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一传输门TG1、第二传输门TG2。
进一步，第一PMOS管P1的源极接入工作电压VDD；第一PMOS管P1的栅极与第一NMOS管N1的栅极、第一传输门TG1的输入端均连接正位线信号BL；第一PMOS管P1的漏极与第一NMOS管N1的漏极、第一传输门TG1的输出端、第二传输门TG2的输入端连接于同一点；第一NMOS管N1的源极、第二NMOS管N2的源极均与地线相连；第二传输门TG2的输出端和第二NMOS管N2的漏极、第一反相器INV1的输入端连接于同一点；第一反相器INV1的输出端连接输出检测值信号Q；第二反相器INV2的输入端、第一传输门TG1的负控制端、第二传输门TG2的正控制端均连接灵敏放大器预充信号PRESA；第二反相器INV2的输出端、第一传输门TG1的正控制端、第二传输门TG2的负控制端、第二NMOS管N2的栅极连接灵敏放大器预充信号的反信号PRESAB。
进一步，灵敏放大器主体电路的工作状态包括：半电压预充模式、翻转点偏置模式和高灵敏检测模式。
如图2，灵敏放大器主体电路工作在半电压预充模式下，正位线信号被半电压预充电路预充电至二分之一电源电压；灵敏放大器预充信号PRESA接入工作电压，因此第一传输门TG1关断、第二传输门TG2导通、第二NMOS管N2关断，检测值信号Q保持不变。
如图3，灵敏放大器主体电路工作在翻转点偏置模式下，灵敏放大器预充信号PRESA接入地线，因此第一传输门TG1导通、第二传输门TG2关断、第二NMOS管N2导通；第一PMOS管P1和第一NMOS管N1构成的反相器输入端和输出端相连，使输入端和输出端的电位移动至翻转点附近；第一反相器INV1的输入端被拉低至零电位，检测值信号Q被拉高。
高灵敏检测模式包括：
(1)第一种检测情况，如图4：存储单元存储数据为0”时，灵敏放大器预充信号PRESA接入工作电压，因此第一传输门TG1关断、第二传输门TG2导通、第二NMOS管N2关断；正位线通过存储单元放电，正位线信号BL电位降低，第一反相器INV1输入端电位被拉高，检测值信号Q被拉低；
(2)第二种检测情况，如图5：存储单元存储数据为“1”时，灵敏放大器预充信号PRESA接入工作电压，因此第一传输门TG1关断、第二传输门TG2导通、第二NMOS管N2关断；正位线不通过存储单元放电，正位线信号BL电位保持为高电位，第一反相器INV1输入端电位不被拉高，检测值信号Q保持为高。
结合图6所示的时序图对实施过程进行概括，如下：
首先位线预充信号PRE信号被拉低，正位线信号BL和负位线信号BLB分别被拉至电源电压VDD和零电位VSS，随后电位平衡使能信号ON被拉低，此时正位线信号BL和负位线信号BLB的电位被平衡至VDD/2，对应灵敏发大器主体电路的半电压预充模式；之后灵敏放大器预充信号被拉低，进入翻转点偏置模式，此时正位线信号BL的电位被平衡至反相器翻转点附近；接下来进入高灵敏检测模式，分为两种情况：
当检测“0”时，位线信号WL打开，正位线信号BL电位开始下降，灵敏放大器主体电路的检测值信号Q被拉为零电位。
当检测“1”时，位线信号WL打开，正位线信号BL电位不变，灵敏放大器主体电路的检测值信号Q保持为高电位不变。
具体地，
半电压预充电路包括：第二PMOS管P2、第三NMOS管N3、第三传输门TG3、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一电容C1、第二电容C2。
其中，第二PMOS管P2的源极接入工作电压；第二PMOS管P2的栅极、第三反相器INV3的输入端均连接位线预充信号PRE；第二PMOS管P2的漏极、第三传输门TG3的输入端、第一电容C1的正极板连接正位线信号BL；第三NMOS管N3的漏极、第三传输门TG3的输出端、第二电容C2的正极板连接负位线信号BLB；第四反相器INV4的输入端、第三传输门TG3的负控制端连接电位平衡使能信号ON；第四反相器INV4的输出端、第三传输门TG3的正控制端连接电位平衡使能信号的反信号ONB；第三NMOS管N3的源极、第一电容C1的负极板、第二电容C2的负极板接入地线；第三NMOS管N3的栅极、第三反相器INV3的输出端连接位线预充信号的反信号PREB。
进一步，半电压预充电路的工作状态包括位线电压预充模式和位线电位平衡模式。
位线电压预充模式下，位线预充信号PRE接入地线，电位平衡使能信号ON接入工作电压，使得第二PMOS管P2导通、第三NMOS管N3导通，第三传输门TG3关断，正位线信号BL被拉高至电源电压，负位线信号BLB被拉低至零电位。
位线电位平衡模式下，位线预充信号PRE接入工作电压，电位平衡使能信号ON接入地线，使得第二PMOS管P2关断、第三NMOS管N3关断，第三传输门TG3导通，正位线信号BL和负位线信号BLB相连，电荷共享使得正位线信号BL和负位线信号BLB的电压被平衡至电源电压的一半。
本发明提出的一种半电压预充型灵敏放大器，相比现有技术，具有以下有益效果：
1、灵敏放大器主体电路利用反相器翻转点附近的高增益特性，降低了检测所需的位线电压差，不需要加入额外的电容，并且仅需一条读位线就能够实现高灵敏检测。
2、半电压预充电路利用电荷共享原理，无需使用额外的供电电源便可实现对位线的精准半电压预充，避免了额外电源的设计成本，降低了设计复杂度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述灵敏放大器包括：半电压预充电路、灵敏放大器主体电路；
其中，所述灵敏放大器主体电路构成单端灵敏放大器电路结构，只需对一条读位线进行检测；
所述灵敏放大器主体电路的第一输入端接入灵敏放大器预充信号、第二输入端接入正位线信号、第一输出端输出检测值信号；
所述半电压预充电路的第一输入端接入位线预充信号、第二输入端接入电位平衡使能信号、第一输出端接入正位线信号、第二输出端接入负位线信号。
2.根据权利要求1所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述灵敏放大器主体电路包括：第一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一反相器、第二反相器、第一传输管、第二传输管；
其中，第一PMOS管的源极接入工作电压；第一PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极、第一传输管的输入端均连接正位线信号；第一PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第一传输管的输出端、第二传输管的输入端连接于同一点；第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极均与地线相连；第二传输门的输出端和第二NMOS管的漏极、第一反相器的输入端连接于同一点；第一反相器的输出端连接检测值信号；第二反相器的输入端、第一传输门的负控制端、第二传输门的正控制端均连接灵敏放大器预充信号；第二反相器的输出端、第一传输门的正控制端、第二传输门的负控制端、第二NMOS管的栅极连接灵敏放大器预充信号的反信号。
3.根据权利要求1所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述半电压预充电路包括：第二PMOS管、第三NMOS管、第三传输门、第三反相器、第四反相器、第一电容、第二电容；
其中，第二PMOS管的源极接入工作电压；第二PMOS管的栅极、第三反相器的输入端均连接位线预充信号；第二PMOS管的漏极、第三传输门的输入端、第一电容的正极板连接正位线信号；第三NMOS管的漏极、第三传输门的输出端、第二电容的正极板连接负位线信号；第四反相器的输入端、第三传输门的负控制端连接电位平衡使能信号；第四反相器的输出端、第三传输门的正控制端连接电位平衡使能信号的反信号；第三NMOS管的源极、第一电容的负极板、第二电容的负极板接入地线；第三NMOS管的栅极、第三反相器的输出端连接位线预充信号的反信号。
4.根据权利要求3所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述半电压预充电路的工作状态包括位线电压预充模式和位线电位平衡模式。
5.根据权利要求4所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述位线电压预充模式下，所述位线预充信号接入地线，所述电位平衡使能信号接入工作电压，使得所述第二PMOS管导通、所述第三NMOS管导通，所述第三传输门关断，所述正位线信号被拉高至电源电压，所述负位线信号被拉低至零电位。
6.根据权利要求4所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述位线电位平衡模式下，所述位线预充信号接入工作电压，所述电位平衡使能信号接入地线，使得所述第二PMOS管关断、所述第三NMOS管关断，所述第三传输门导通，所述正位线信号和所述负位线信号相连，电荷共享使得所述正位线信号和所述负位线信号的电压被平衡至电源电压的一半。
7.根据权利要求2所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述灵敏放大器主体电路的工作状态包括：半电压预充模式、翻转点偏置模式和高灵敏检测模式。
8.根据权利要求7所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述半电压预充模式下，所述正位线信号被所述半电压预充电路预充电至二分之一电源电压；所述灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此所述第一传输门关断、所述第二传输门导通、所述第二NMOS管关断，所述检测值信号保持不变。
9.根据权利要求7所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述翻转点偏置模式下，所述灵敏放大器预充信号接入地线，因此所述第一传输门导通、所述第二传输门关断、所述第二NMOS管导通；所述第一PMOS管和所述第一NMOS管构成的反相器输入端和输出端相连，使输入端和输出端的电位移动至翻转点附近；所述第一反相器的输入端被拉低至零电位，所述检测值信号被拉高。
10.根据权利要求7所述的半电压预充型灵敏放大器，其特征在于，
所述高灵敏检测模式包括：
(1)第一种检测情况：存储单元存储数据为0”时，所述灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此所述第一传输门关断、所述第二传输门导通、所述第二NMOS管关断；所述正位线通过存储单元放电，所述正位线信号电位降低，所述第一反相器输入端电位被拉高，所述检测值信号被拉低；
(2)第二种检测情况：存储单元存储数据为“1”时，所述灵敏放大器预充信号接入工作电压，因此所述第一传输门关断、所述第二传输门导通、所述第二NMOS管关断；所述正位线不通过存储单元放电，所述正位线信号电位保持为高电位，所述第一反相器输入端电位不被拉高，所述检测值信号保持为高。
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