DE2738187B1

DE2738187B1 - Schaltungsanordnung fuer mehrere auf einem Bipolar-Baustein angeordnete Speicherzellen mit einer Regelschaltung zur Kennlinien-Anpassung der Speicherzellen

Info

Publication number: DE2738187B1
Application number: DE2738187A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Glock; Gerhard Hartel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1978-06-08
Also published as: US4200918A; FR2406281A1; DE2738187C2; FR2406281B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für mehrere auf einem Bipolar-Speicherbaustein angeordnete, über Bit- und Wortleitungen adressierbare und durch eine Schreib-Lese-Steuerung über die Bitleitungen in ihrem Informationsgehalt veränderbare Speicherzellen.

Schaltungen für hochintegrierte Bipolar-Speicherbausteine werden üblicherweise entwickelt, noch ehe die Strom-Spannungscharakteristik der endgültigen Speicherzelle meßtechnisch erfaßt werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Gesamtentwicklungszeit bis zum Vorliegen funktionsfähiger Bausteine erheblich verkürzen. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch mit Risiko behaftet, da die Ansteuerspannung für die Speicherzellen unter Umständen nicht optimal eingestellt werden kann, dies aber wesentlich ist für die Leistungsdaten des Speicherbausteins. Außerdem schwankt produktionsbedingt die Zellencharakteristik von Chip zu Chip eines Wafers.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Bipolar-Speicherbaustein eine Schaltungsanordnung bereitzus stellen, die es ermöglicht, die herstellungsbedingte Streuung des Kennlinienverlaufs der Strom-Spannungskennlinie der Speicherzelle so auszugleichen, daß sich diese schwankende Zellencharakteristik nicht auf das Schalt- und Zugriffsverhalten der Speicherzellen aus·

ίο wirkt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß eine Regelschaltung vorgesehen ist, de anhand einer zusätzlichen, mit den übrigen Speicherzellen baugleichen Simulationsspeicherzelle das Bezugspo- tential der die Speicherzellen entsprechend den jeweiligen Betriebszuständen mit einem von diesem Bezugspotential abgeleiteten Potential beaufschlagenden Schreib-Lese-Steuerung derart regelt daß unabhängig von der herstellungsbedingten Streuung des

Kennlinienverlaufs der Strom-Spannungs-Kennlinie der Speicherzellen der beim Ansteuern einer Speicherzelle

durch die Speicherzelle fließenden Zellenstrom einen vorgegebenen Wert erreicht

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform

der Erfindung ist eine die SimulationsspeicherzeBe analog dem Betriebszustand »Lesen« ansteuernde Nachbildung des Netzwerkes der Wort- und Bit-Ansteuerungsanordnung vorgesehen, und im zum angenommenen Leseverstärker führenden Bit-Leitungszweig ein vom Lesestrom durchflossener Regelwiderstand angeordnet, dessen vom Lesestrom verursachter Spannungsabfall einem Stromanpassungsnetzwerk zugeführt wird, das das Bezugspotential steuert
Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß damit die produktionsbedingt von Chip zu Chip eines Wafers schwankende Stromspannungscharakteristik der Speicherzellen voll ausgeglichen wird. Damit kann jede Speicherzelle mit dem maximal möglichen ZJlenstrom angesteuert werden, wodurch sich kürzest mögliche Zugriffs- und Schreibzeiten erreichen lassen. Da die Schwankungsbreite der Kenndaten der einzelnen Speicherzellen auf einem Chip recht gering ist, ist es in einfacher Weise durch zusätzliche Integration einer Simulationsspeicherzelle möglich, diese Speicherzelle stellvertretend für die anderen Speicherzellen anzusteuern. Durch Anpassung ihrer Kenndaten mit Hilfe einet Regelschaltung kann davon ausgegangen werden, daß diese Anpassung auch für die restlichen Speicherzellen des Chips gilt

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Schreib-Lese-Speicherbausteins in Bipolartechnik,

Fig.2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelschaltung und

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Regelschaltung anhand der Strom-Spannungscharakteristik mehrerer Speicherzellen.

Bei der in der F i g. 1 dargestellten Schaltungsanord- \_: nung eines Schreib-Lese-Speicherbausteins in Bipolartechnik werden zur Auswahl einer Speicherzelle SZ, z. B. der Speicherzelle SZ-X, Schalttransistoren 2 Ober "' eine Bitauswahlschaltung 3 leitend gesteuert Gleichzeitig erfolgt über die Wortauswahlansteuerung 4 in Verbindung mit einem Schalttransistor 5 mit zugehörigem Widerstand 6 eine Wortansteuerung dadurch, daß eine obere Wortleitung 7 auf etwa -03 V geschaltet

OFHQINAL INSPECTED

wird, womit sich an einer unteren Wortleitung 8 ein Potential von etwa -1,7 V einstellt.

Durch diese Ansteuerprozedur ist nunmehr eine einzelne Speicherzelle, in diesem Falle die Speicherzelle SZ-X, adressiert. Die Speicherzelle selber besteht dabei 5 aus zwei miteinander verschalteten npn-Transistoren mit Doppelemittern 9, die in bekannter Weise über Dioden 10 und Widerstände 11 miteinander verschaltet sind.

Zum Auslesen einer in einer derartigen Speicherzelle SZ enthaltenen Information wird die Speicherzelle SZ über eine Schreib-Lese-Steuerung mit einem Schreibeingang 12 und einem Dateneingang 13 angesteuert.

Im Betriebszustand »Lesen« wird über eine hier nicht dargestellte bekannte Schaltungsanordnung der Schreibeingang 12 auf ein Potential entsprechend logisch »1« gesetzt. Damit schaltet der Transistor 14 zwei nachfolgend als Schwellwertschalter angeordnete Differenzverstärker aus den Transistoren 15,16 und 32 bzw. 17 und 18 mit der Referenzspannungsquelle UR. Durch den an den Widerständen 19, die mit der Bezugspotentialquelle 20 verknüpft sind, und an den Transistoren 21 und 23 auftretenden Spannungsabfall einerseits, sowie durch den am Widerstand 19/1, der ebenfalls mit der Bezugspotentialquelle 20 verknüpft ist, und am Transistor 25 um etwa 0,4 V kleineren Spannungsabfall andererseits schließen die Transistoren 22 und 24, womit sich das Potential an den Bitleitungen 26 und 27 auf ca. -2,1 V einstellt. Der Emitter des leitenden Transistors der ausgewählten Speicherzelle SZ-I, der zur unteren Wortleitung 8 führt, wird damit gesperrt, so daß der gesamte Zellenstrom IZ in die zugehörige Bitleitung 26 fließt. Da der Strom in den Bitleitungen 26 und 27 über Stromquellen 28 eingeprägt ist und damit unverändert bleibt, reduziert sich der durch einen über den Transistor 25 geöffneten Lesetransistor 29 vom Leseverstärker 30 kommende Lesestrom IL um den Zellenstrom IZ. Zur Erreichung eines optimalen Schalt- und Zugriffsverhaltens der Speicherzelle soll dieser Lesestrom IL möglichst verschwinden, womit der durch die Speicherzelle fließende Zellenstrom /Zein Maximum erreicht.

Analog zu dem vorher beschriebenen Betriebszustand »Lesen« liegt im Betriebszustand »Schreiben« der Schreibeingang 12 auf einem dem logischen Zustand »0« entsprechenden Potential. Soll z.B. eine »1« eingeschrieben werden, so liegt der Dateneingang 13 auf einem dem logischen Zustand »1« entsprechenden Potential, womit über den Transistor 31 der Schalttransistor 32 sich öffnet und damit über die Schreib-Lese-Steuerung die Potentiale an den Bitleitungen 26 und 27 sich gegenphasig um etwa 0,4 V verändern, so daß z. B. beim Schreiben einer »1« die Bitleitung 26 auf ca. -1,7 V und die Bitleitung 27 auf ca. - 2,5 V liegt.

Die in der F i g. 3 dargestellten Stromspannungskennlinien der Speicherzellen, die die Abhängigkeit des Zellenstroms (Ordinate) von der Betriebsspannung an der Speicherzelle (Abszisse) zeigen, schwanken in ihrem Verlauf von Chip zu Chip. Da der Bitstrom IB durch die Stromquelle 28 eingeprägt ist, ergibt sich bei einem verschiedenen Verlauf der Kennlinien ein verschieden großer Anteil des Lesestroms IL und des Zellenstroms IZ Liegt z. B. beim Betriebszustand »Lesen« an der oberen Wortleitung 7 das Auswahlpotential UW" -0,9 V und an den Bitleitungen 26 und 27 das Nennpotential UB= -2,1 V, so sind für die Kennlinien A, Bund Cdrei Arbeitspunkte Ai, Bi, Cl feststellbar. Der Arbeitspunkt A 1 der Kennlinie A stellt dabei den Idealfall dar. Bei der Ansteuerung einer Speicherzelle mit einer derartigen Kennlinie fließt der gesamte Bitstrom IB als Zellenstrom /Z durch die Speicherzelle. Damit ist eine minimale Schreib- und Zugriffszeit möglich. Beim Arbeitspunkt der Kennlinie B, Bi ist bei Nennpotential UB bereits eine Verschiebung des Arbeitspunktes feststellbar. Hier teilt sich der Bitstrom IB in einen ungefähr gleich großen Anteil des Lesestromes IL und des Zellenstromes /Z auf. Damit ist das Zeitverhalten einer derartigen Speicherzelle wesentlich schlechter. Verläuft die Kennlinie wie bei Kennlinie Cnoch flacher, so ergibt sich ein Arbeitspunkt C1 und damit eine weitere Reduzierung des Zellenstromes IZ Die Reduzierung des Zellenstromes IZ hat eine Verlängerung der Zugriffs- und insbesondere der Schreibzeit zur Folge.

Mit Hilfe der in der F i g. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Regelschaltung läßt sich nun das Bezugspotential 20 und damit die Zellenspannung der jeweiligen Zellencharakteristik so anpassen, daß sich die Arbeitspunkte entsprechend der Darstellung der F i g. 3 bei der Kennlinie S von BX nach B 2 und bei der Kennlinie C von Ci nach C 2 verschieben. Eine Veränderung des Bezugspotentials 20 verändert in entsprechender Weise die von diesem Bezugspotential abgeleiteten Potentiale an der Bitleitung.

Die erfindungsgemäße Regelschaltung besteht aus einer zusätzlich auf dem Chip integrierten Speicherzelle SS, die als Simulationsspeicherzelle dient und analog den übrigen Speicherzellen aufgebaut ist. Sie wird über eine Nachbildung des Netzwerkes der Wort- und Bit-Ansteuerungsanordnung angesteuert, die in ihrem Aufbau exakt der Schreib-Lese-Steuerung für den Betriebszustand »Lesen« entspricht. Zusätzlich dazu befindet sich im Bitleitungszweig zum angenommenen Leseverstärker ein vom Lesestrom IL durchflossener Regelwiderstand 33, dessen vom Lesestrom verursachter Spannungsabfall einem aus Transistoren 34 und 35, einer Stromquelle 36 und einem Widerstand 37 bestehenden Stromanpassungsnetzwerk zugeführt wird, das das Bezugspotential 20 steuert. Zu diesem Zwecke sind die beiden Schaltungen der F i g. 1 und der F i g. 2 über das Bezugspotential 20 galvanisch verbunden. Im einzelnen funktioniert die Regelschaltung dabei wie folgt. Über die Nachbildung der Wortansteuerung aus Widerstand 38 (entspricht Widerstand 6) mit Transistor 39 (entspricht Transistor 5) und der Bitansteuerung aus Widerstand 40 (entspricht Widerstand 19/1), Transistor

41 (entspricht Transistor 25), Transistor 42 (entspricht Transistor 29) sowie den zugehörigen Stromquellen und einer Speicherzelle SS wird der über den Lesetransistor

42 (entspricht Transistor 29) fließende Strom IL ausgewertet Der Spannungsabfall dieses Stromes am Regelwiderstand 33 wird über ein Stromanpassungsnetzwerk sowohl der Bitansteuerung als auch ihrer Nachbildung in der Regelschaltung über die Widerstände 19, 40 zugeführt. Liegt z. B. im ersten Moment das Bitleitungsnennpotential - UB an der Speicherzelle mit der Kennlinie B, so verschiebt der Strom IL im Regelwiderstand 33 das Bitleitungspotential zu negativeren Werten, bis der Schnittpunkt der Zelbnkennlinie mit der hier dargestellten Regelgeraden E erreicht ist (Arbeitspunkt B 2). In diesem Punkt entspricht für die betrachtete Zellenkennlinie die Verschiebung des Bezugspotentials und damit des Bitleitungspotentials gerade dem Spannungsabfall des Stroms IL am Regelwiderstand 33.

Durch die Regelung gelingt es demnach, selbst bei

stark streuenden Zellencharakteristiken fast den gesamten eingeprägten Bitstrom IB durch die ausgewählte Zelle fließen zu lassen und damit kürzest mögliche Zugriffs- und Schreibzeiten zu erreichen.

Mit nur einer einzigen Regelschaltung pro Speicherbaustein lassen sich nach dem Einschalten der Betriebsspannung die optimalen Ansteuerspannungen für die Speicherzellen vorgeben. Damit kann ohne allzu großes Risiko die Schaltungsentwicklung für einen Speicherbaustein bereits durchgeführt werden, bevor die Stromspannungscharakteristik der endgültigen Speicherzelle meßtechnich erfaßt worden ist, und damit die Gesamtentwicklungszeit bis zum Vorliegen funktionsfähiger Bausteine verkürzt werden. Die Streuungen der Zellencharakteristik von Chip zu Chip eines Wafers und von Wafer zu Wafer werden durch die Regelschaltung kompensiert und damit kürzest mögliche Zugriffs- und Schreibzeiten erreicht Insgesamt können größere Streuungen der Zellenkennlinien zugelassen werden, und durch die Regelung erhalten auch Zellen mit großem Innenwiderstand ausreichend Strom.

Anstelle der Simulation des Leseverstärkers durch

den Regelwiderstand 33 besteht auch die Möglichkeit, die Regelspannung individuell für jede Speicherzelle direkt im Leseverstärker des Speicherbausteins abzugreifen und somit auch noch die Streuungen der Speicherzellen eines Chips auszugleichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für mehrere auf einem Bipolar-Speicherbaustein angeordnete, über Bit- und Wortleitungen adressierbare und durch eine Schreib-Lese-Steuerung über die Bitleitungen in ihrem Informationsinhalt veränderbare Speicherzellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelschaltung (F i g. 2) vorgesehen ist, die anhand einer zusätzlichen, mit den übrigen Speicherzellen baugleichen Simulationsspeicherzelle (SS) das Bezugspotential (20) der die Speicherzellen entsprechend den jeweiligen Betriebszuständen mit einem von diesem Bezugspotential (20) abgeleiteten Potential (26, 27) beaufschlagenden Schreib-Lese-Steuemng derart regelt, daß unabhängig von der herstellungsbedingten Streuung des Kennlinienverlaufs der Stromspannungskennlinie (Fig.3) der Speicherzellen (SZ) der beim Ansteuern einer Speicherzelle (SZ) durch die Speicherzelle fließende Zellenstrom ffi^einen vorgegebenen Wert erreicht

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Simulationsspeicherzelle (SS) analog dem Betriebszustand »Lesen« ansteuernde Nachbildung des Netzwerkes (40, 41, 42, 39, 38) der Wort- und Bit-Ansteuerungsanordnung vorgesehen ist und daß in zum angenommenen Leseverstärker führenden Bitleitungszweig ein vom Lesestrom durchflossener Regelwiderstand (33) angeordnet ist, dessen vom Lesestrom (IL) verursachter Spannungsabfall (UR) einem Strom-Anpassungsnetzwerk (34, 35, 36, 37) zugeführt wird, das das Bezugspotential (20) steuert

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulationsspeicherzelle (SS) gemeinsam mit ihrer Nachbildung des Netzwerks (38, 39, 40, 41, 42) der Wort- und Bit-Ansteuerungsanordnung als Element des die Speicherzellen tragenden Chips des Bipolarspeicherbausteins ausgebildet ist

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltnetzwerk vorgesehen ist, daß die Regelspannung für jede Speicherzelle direkt am Leseverstär ker (30) des Speicherbausteins abgreift und dem Strom-Anpassungsnetzwerk (34,35,36,37) zuführt.