CN1232984C

CN1232984C - 动态预充电的电流感应放大器

Info

Publication number: CN1232984C
Application number: CN 02153625
Authority: CN
Inventors: 叶润林
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: CN1435840A

Abstract

本发明公开了一种动态预充电的电流感应放大器，即提供一预充电电路，具钳制机构，使在预充电期间感应线可以快速充电并收至电流操作点的电位。本发明利用一储存单元的感应线(Sense Line)，由一电压放大电路根据感应线的电位产生一第一输出信号，第一电流镜电路是根据该第一输出信号产生一第一电流，第二电流镜电路是根据一参考(Reference)储存单元，产生一第二电流，最后由预充电电路根据该第一输出信号，该第二电流及一时序脉冲(Clock Pulse)，产生一充电(Charge Up)信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准(Operation Current Level)，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的资料。

Description

动态预充电的电流感应放大器

技术领域

本发明涉及一种动态预充电的电流感应放大器，特别是用于记忆体的动态预充电的电流感应放大器。

背景技术

当记忆体阵列(memory array)里的记忆胞(memory cell)被选取后，资料会出现在位元线(bit line)上，再通过放大电路将位元线(bit line)信号放大，经过比较，决定资料是“0”或是“1”。数位信号的判断通常以一临界电位来决定，超过该临界电位，代表资料为“1”，若小于该临界电位则代表资料为“0”。

但是对现有技术而言，一般记忆胞数组是由复数个字符线的列及复数个位元线的行组成，位元线的寄生电容负载很重，尤其在高密度的记忆胞数组。在读取操作期间，不是待命(standby)就是被选取，位元线的寄生电容将致使感应放大器的操作电位产生一输出表示记忆胞的状态。但是，预充电电路却难以控制到希望的操作点。若预充电电路充电太强，位元线及感应线的电压将超过(overshoot)，而若预充电电路充电太弱，则预充电的时间将拉长，同时位元线的电位将低于目标值，这都导致感应放大器可感应记忆胞正确状态前的位元线回复时间加长，而如何减小这段时间，使记忆胞的资料更快速的被读取，即为本发明的课题所在。

图6为美国现有技术4,713,797号专利，是一种非挥发性记忆体的电流镜(current mirror)感应放大器(Amplifier)，其具有大寄生电容的位元线只通过电压放大器本身来充电，由于电压放大器的拉升(PullUp)能力相当弱，因此读取的速度受到位元线(bit line)回复时间的影响。

图7为美国现在技术5,258,669号专利，是一电流感应放大电路，其中，在读取开始反应的预先短路期间，用以读取的记忆胞(memorycell)的位元线(bit line)，除了从预充电电路供给电流之外，还通过电压放大器来供给电流。在这一现有技术中，被选取的位元线可被快速地预充电，但是位元线电位无法被控制到希望的感应放大器的电位，因为只有拉升(pull up)NMOS正被使用来预充电，难以充份运用于无超过(over-shoot)的预充电速度之间，因此难以控制预充电的电位到期望的电位(感应放大器的操作点)，同时读取速度也无法提升。

图8和图9为美国现有技术5,386,158号专利，也是一种电流感应放大器，在此发明中，预充电电路是被电压放大器自我控制(selfcontrolled)，不需要脉波控制。

现有技术有下列几点缺陷：

1.充电太慢，预充电电路必须花较长时间才能拉到接近操作电位的附近，因为预充电电路是启动的微点，因此放大器与其感测高电位，不如感测低电位来得容易。

2.电压放大器对位元线的高寄生电容中介于低电位(V_L)到高电位(V_H)的充电时间过长，这是因为电压放大器供给的电流相当弱的原因。

3.预充电电路无法准确地充电到位元线的临界电位，这点若加在第一点上就更为糟糕。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的就在于提出一种动态预充电的电流感应放大器，通过一快速的预充电流路径，以钳制结构(上拉及下拉)来避免充电超过(Over Shoot)的现象，以克服现有技术中电流感测上的问题。该动态预充电的电流感应放大器包括：一储存单元，是具一感应线(Sense line)；一电压放大电路，是根据该感应线的电位产生一第一输出信号；一第一电流镜电路，是根据该第一输出信号，产生一第一电流；一第二电流镜电路，是根据一参考(Reference)储存单元，产生一第二电流；一预充电电路，是根据该第一输出信号，该第二电流及一时序脉冲(Clock Pulse)，产生一充电(Charge Up)信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准(Operation Current Level)，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的资料。

如上所述的动态预充电的电流感应放大器，其中该储存单元是一记忆胞(Memory cell)，该感应线是电连接至该记忆胞的一位元线(Bit-Line)，其中还包含一比较电路，用以对该第一电流和该第二电流进行比较，并根据该第一电流和该第二电流输出该储存单元的资料，其中该第二电流为一参考电流，该参考储存单元是一参考记忆胞.

本发明还提出一种动态预充电的电流感应放大器，包括：

一储存单元，是具一感应线(Sense line)；一电压放大电路，是根据该感应线的电位产生一第一输出信号；一第一电流镜电路，是根据该第一输出信号，产生一第一电流；一预充电电路，是根据该第一输出信号，一内部参考电流及一时序脉冲(Clock Pulse)，产生一充电(Charge Up)信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准(Operation Current Level)，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的资料。

如上所述的动态预充电的电流感应放大器，其中该储存单元是一记忆胞(Memory Cell)，该感应线是电连接至该记忆胞的一位元线(bitline)，其中更包含一比较电路，用来对该第一电流及该第二电流进行比较，并根据该第一电流及该第二电流输出该储存单元的资料，该内部参考电流，是由该预充电电路的一参考储存单元产生，该参考储存单元是一参考记忆胞。

综上所述，本发明的有益效果在于，利用预充电电路的钳制机构，使记忆胞被选取之前，就可先将感应线上拉至操作点，来增快内存读取的速度，同时更可避免充电超过(over-shoot)的现象。

附图说明

图1为本发明的方块图；

图2为本发明预充电电路一的电路图；

图3为本发明的一完整的电路；

图4为本发明预充电电路二的电路图；

图5为本发明另一实施例且对应图4的方块图；

图6为美国现有技术4,713,797号专利；

图7为美国现有技术5,258,669号专利；

图8为美国现有技术5,386,158号专利；

图9为美国现有技术5,386,158号专利二。

零件图号的说明

11比较器

121第一电流镜 122第二电流镜

131第一电压放大器 132第二电压放大器

141行解码器 142列解码器

14记忆胞数组 144感应线

143位元线 V1第一输出信号

V2第二输出信号 15预充电电路一

PX，NX电晶体 21上拉路径

22下拉路径 16，41参考记忆胞

51预充电电路二

具体实施方式

下面通过附图及实施例进一步说明本发明的技术特征及其新颖性。

如图1-5所示，在读取操作中，被选取的位元线可以轻易收到电流感应器的操作点，其次，因为上拉(pull-up)及下拉(pull-down)电路的尺寸匹配，故电流感应放大器可被拉到操作电流的位阶，(操作电流位阶指电流的操作点)。因此，当预充电脉波之后，电流感应放大器可以立刻感测被选取记忆胞的电流。

本发明利用一储存单元的感应线(Sense Line)，由一电压放大电路根据该感应线的电位产生一第一输出信号，第一电流镜电路是根据该第一输出信号产生一第一电流，第二电流镜电路是根据一参考(Reference)储存单元，产生一第二电流，最后由预充电电路根据该第一输出信号，该第二电流及一时序脉冲(Clock Pulse)，产生一充电(Charge Up)信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准(Operation CurrentLevel)，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的资料。

图1为本发明的方块图，电流感应放大电路系用于具有复数个记忆胞的记忆胞数组14，记忆胞安排成复数行与列，其中该记忆胞数组的外部具有一感应线144。复数行(位元线143)系通过行译码器141耦合至感应线144(sense line)上。此感应线系输入到第一电压放大器131及晶体管N₁的汲极(drain)，同时也耦合至预充电电路一15。

读取操作一开始，预先的脉波信号CP耦合至预充电电路一15。在此脉波期间，这个预充电电路一15为开启(“on”)状态，开始对被选取的具有高电容的位元线143及感应线144进行充电的动作。

图2为预充电电路一15的细部图。预充电电路一15的上拉路径21及下拉路径22形成一钳制(clamping)机制，可避免感应线144充电超过的现象。

上拉路径21的电晶体N₃为电晶体N₁(见图1)尺寸的倍数，它根据预充电速度、电力消耗、位元线寄生电容值的大小而定。基本上，N₃大于N₁非常多，例如十倍。

下拉路径22为一电流源，电流源I_S是第二电流I₂的倍数，其系耦合自第二电流镜122。电晶体N₃与N₁尺寸比由这一电流源I_S决定。

所以，下拉路径22之电流源(I_S)中大部分的电流将流经上拉路径21的晶体管N₃，而只有吾人所希望的电流I₁将流经晶体管N₁到感应线144上，使第一电流镜121被偏移至其电流操作点上。

以下是电流源I_S的例子：

假设电晶体N₃与N₁的尺寸(size)比为10∶1

第二电流＝I₂

若在预充电期间想要去偏移第一电流I₁到一稳定的电流(＝0.5×I₂)，则电流源I_S＝0.5×I₂×(10+1)。

所以，I₁＝0.5×I₂，而I₃＝0.5×10×I₂，其中I₃为流经电晶体N₃的电流。

在预充电后，预充电电路一15切换为关闭(Off)状态而在感应线144上将可感应到从被选取记忆胞传来的电流。是以，第一电压放大器131将输出信号V₁至晶体管N₁的闸极(Gate)，而第一电流镜121因应信号V₁产生一第一电流I₁，此一电流I₁则供给至比较器11。

参考记忆胞16的低临界电压Vt(平常导通)是耦合到第二电压放大器132，第二电压放大器132输出第二输出信号V2到电晶体的闸极。第二电流镜122产生第二电流I₂供给比较器11。比较器11比较第一电流I₁及第二电流I₂后产生一感应输出信号(Sense-Out)以代表被选取记忆胞的状态(“0”或“1”)。图3所示为本发明一较佳实施例。

前述是本发明一较佳实施例。动态预充电电路一15如图2示所示，它使用参考记忆胞的倍数电流去产生电流源I_S，使本发明具有同时采用参考记忆胞电流及电流镜的优点。

预充电电路二51(见图5)是可应用为本发明电流感应器的另一实施例。如图4，电流源I_S可直接来自其内建的参考记忆胞41。

预充电电路的脉波可以由ATD(address transient detect)电路或者由任何预先脉波产生器电路在读取信号一开始的时候产生。持续时间由下列准则(criteria)决定：

1、脉波够长到使任何记忆数组的位元线、感应线足以接收到电流感应放大器的操作点。

2、本发明的基本构想是提供一预充电电路，具钳制机构，在预充电期间感应线可以快速充电及接收到电流操作点的电位。除了电压放大器，电流镜被电流感应者也可被偏移到预期的电流操作点。

3、本发明的CMOS电流感应放大电路可提供高速的读取操作，记忆胞阵列包括第一电压放大器、第一电流镜、比较器、预充电电路一(或二)及其他电流偏移电路，参考记忆胞包括第二电压放大器、第二电流镜等元件。

由于预充电操作是采用快速对位元线充电的方法，感应线拉到操作点上，同时在操作脉波时间内具有自我接收的能力，因此可抵消由错误位元线预充电所留下的长位元线回复时间，也可减少读取时间。另外，本发明的预充电电路与电压放大器及电流镜作在一起，可以提供新的方式，通过电流镜来偏移电流到希望的操作电流，因此可以大大提升电流感应放大器的速度。

Claims

1、一种动态预充电的电流感应放大器，包括：一储存单元、一第一电压放大电路、一第一电流镜电路、一第二电压放大电路、一第二电流镜电路、一比较电路及一预充电电路，其特征是：

该储存单元，通过一行译码器而耦合至一感应线；

该第一电压放大电路，是根据该一感应线的电位产生一第一输出信号；

该第一电流镜电路，是根据该第一输出信号，产生一第一电流；

该第二电压放大电路，是根据一参考储存单元产生一第二输出信号；

该第二电流镜电路，是根据该第二输出信号，产生一第二电流；

该比较电路，是藉以比较该第一电流及该第二电流，并根据该第一电流及该第二电流输出该储存单元的数据；以及

该预充电电路，是根据该第一输出信号，一由该第二电流镜电路所提供之一电流源及一时序脉冲，产生一充电信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的数据。

2、根据权利要求1所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：所述储存单元是一记忆胞。

3、根据权利要求2所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：该感应线是电连接至该记忆胞的一位元线。

4、根据权利要求1所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：所述第二电流是一参考电流，所述参考储存单元是一参考记忆胞。

5、一种动态预充电的电流感应放大器，包括：一储存单元，一第一电压放大电路、一第一电流镜电路、一第二电压放大电路、一第二电流镜电路、一比较电路、一预充电电路，其特征是：

该储存单元，是通过一行译码器而耦合至一感应线；

该第一电压放大电路，是根据该感应线的电位产生第一输出信号；

该第二电压放大电路，是根据一第一参考储存单元产生一第二输出信号；

该比较电路，是藉以比较该第一电流及该第二电流，并根据该第一电流及该第二电流输出该第一参考储存单元的数据；以及

该预充电电路，是根据该第一输出信号，一内部参考电流及一时序脉冲，产生一充电信号至该感应线，使该感应线预先充电至一操作电流位准，以便于侦测该感应线时，立刻侦测到该储存单元的数据。

6、根据权利要求5所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：所述储存单元是一记忆胞。

7、根据权利要求6所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：所述感应线是电连接到该记忆胞的一位元线。

8、根据权利要求5所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：该内部参考电流，是由预充电电路的一第二参考储存单元产生。

9、根据权利要求8所述的动态预充电的电流感应放大器，其特征是：该第二参考储存单元是一参考记忆胞。