JP2004241011A - センスアンプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】データの読み出し直前にプリチャージ信号/PRによってPMOS21a,21bがオンにされ、ノードN1a,N1bが電源電圧VDDに充電される。データ読み出しが開始されると、PMOS21a,21bがオフにされると共に、データ線の信号がNMOS11a,11bのゲートに与えられる。これにより、直ちにノードN1a,N1bに電位差が生じ、クロスカップルされたNMOS12a,12bによる増幅動作が行われ、このノードN1a,N1bに、読み出されたデータに対応する電圧が出力される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、SRAM(Static Random Access Memory)等の半導体メモリにおいて、データの読み出しに用いられるセンスアンプに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
【0003】
【特許文献1】
特開平11−260064号公報
【0004】
従来、SRAM等のデータ読み出しに用いられるセンスアンプでは、レベル“H”に充電された一対のデータ線に、選択したメモリセルに保持されている信号を出力させ、このデータ線の内のどちらか一方が閾値電圧以下に低下したことをMOSトランジスタで検出し、その検出結果によってフリップフロップをセットして、出力データとして出力するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のセンスアンプでは、メモリセルに保持されている信号によって、一方のデータ線の電圧が低下して検出用の一方のMOSトランジスタがオン状態となり、この検出信号がフリップフロップの閾値電圧を越えるまで、このフリップフロップのデータが書き替えられない。このため、データの読み出しに時間がかかるという課題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、センスアンプを、データの読み出し時にデータ線から与えられる信号を増幅して内部ノードに該データに対応する電圧を出力するNチャネルMOSトランジスタ(以下、「NMOS」という)によるクロスカップル型の増幅部と、前記データの読み出し前に前記内部ノードを電源電圧に接続し、該データの読み出し時には該内部ノードを該電源電圧から切断するプリチャージ部と、出力ノードと前記電源電圧または接地電圧の間に接続され、前記内部ノードの電圧でオン/オフ制御されるデータ出力部と、前記出力ノードに接続され、該出力ノードのレベルを保持して出力するラッチ部とで構成している。
【0007】
本発明によれば、以上のようにセンスアンプを構成したので、次のような作用が行われる。
【0008】
データの読み出し前にプリチャージ部によって内部ノードが電源電圧に接続され、この内部ノードは電源電圧に充電される。データの読み出しが開始されると、プリチャージ部がオフ状態となって内部ノードは電源電圧から切り離される。これと同時に、データ線から与えられる信号が増幅部で増幅され、読み出されたデータに対応する電圧が内部ノードに出力される。データ出力部により、内部ノードの電圧に応じて出力ノードと電源電圧または接地電圧の間がオン/オフ制御され、この出力ノードからデータが出力される。更に、出力ノードのレベルは、ラッチ部によって保持されて出力される。
【0009】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態を示すセンスアンプの構成図である。
【0010】
このセンスアンプはSRAM等の半導体メモリに用いられるもので、一対のデータ線DL,/DL(但し、「/」は反転を意味する)が接続される増幅部10を備えている。増幅部10は、NMOS11a,11b,12a,12b,13で構成されている。データ線DL,/DLは、NMOS11a,11bのゲートに接続され、このNMOS11a,11bのドレインが電源電圧VDDに接続されている。NMOS11a,11bのソースは、この増幅部10の出力信号SO,/SOが出力されるノードN1a,N1bに、それぞれ接続されている。
【0011】
ノードN1a,N1bは、それぞれNMOS12a,12bを介してノードN2に接続されている。これらのNMOS12a,12bのゲートは、それぞれノードN1b,N1aにクロスカップルされている。ノードN2は、プリチャージ信号/PRでオン/オフ制御されるNMOS13を介して接地電圧GNDに接続されている。また、ノードN1a,N1bは、それぞれプリチャージ信号/PRでオン/オフ制御されるPチャネルMOSトランジスタ(以下、「PMOS」という)21a,21bを介して電源電圧VDDに接続されている。
【0012】
更に、このセンスアンプは、出力データOUT,/OUTを保持するためのラッチ部30を有している。ラッチ部30は、PMOS31a及びNMOS31bで構成されるインバータ31と、PMOS32a及びNMOS32bで構成されるインバータ32をループ状に接続したものである。インバータ31の出力側とインバータ32の入力側がノードN3aに接続され、インバータ31の入力側とインバータ32の出力側がノードN3bに接続されている。
【0013】
ノードN3aには、このラッチ部30にデータを書き込むためのPMOS22aのドレインが接続されている。PMOS22aのソースは電源電圧VDDに、ゲートはノードN1aに、それぞれ接続されている。同様に、ノードN3bには、このラッチ部30にデータを書き込むためのPMOS22bのドレインが接続されている。PMOS22bのソースは電源電圧VDDに、ゲートはノードN1bに、それぞれ接続されている。そして、ノードN3a,N3bから、それぞれ出力データOUT,/OUTが出力されるようになっている。
【0014】
次に、動作を説明する。
【0015】
データの読み出しに先だってプリチャージが行われ、図示しないプリチャージ回路によってデータ線DL,/DLが電源電圧VDDに充電される。また、プリチャージ信号/PRは“L”であり、NMOS13はオフ状態となる。これにより、増幅部10には電流が流れず、この増幅部10内のNMOSはすべてオフ状態となっている。
【0016】
一方、PMOS21a,21bはオン状態となり、ノードN1a,N1bは電源電圧VDDにプリチャージされて、このノードN1a,N1bの信号SO,/SOは“H”となる。これにより、PMOS22a,22bはオフ状態となり、ラッチ部30に保持されているデータは変化しない。
【0017】
次に、プリチャージが終了してプリチャージ信号/PRが“H”になると、NMOS13はオン状態となり、PMOS21a,21bはオフ状態となって、増幅部10が動作状態となる。
【0018】
選択されたメモリセルに保持されている信号がデータ線DL,/DLに出力され、例えばデータ線DLが接地電圧GNDに向かって徐々に下がり始める。このとき、データ線/DLは電源電圧VDDのままであるので、NMOS11aに流れる電流がNMOS11bに流れる電流よりも小さくなり、ノードN1aの信号SOがノードN1bの信号/SOよりも低くなる。これにより、NMOS12bがオフ状態となって、信号/SOが“H”に向かって立ち上がり、NMOS12aはオン状態となる。
【0019】
このようなNMOS12a,12bによる帰還効果により、信号SOは急速に“L”に向かって立ち下がり、PMOS22aがオン状態となる。これにより、ラッチ部30には、“L”の出力データOUTと、“H”の出力データ/OUTが書き込まれる。
【0020】
順次選択されるメモリセルに対して、このようなプリチャージ動作とデータ読み出し動作が繰り返される。
【0021】
以上のように、この第1の実施形態のセンスアンプは、ゲートにデータ線DL,/DLの信号が与えられてその電位差を検出するNMOS11a,11bと、このNMOS11a,11bで検出された電位差を帰還増幅するNMOS12a,12bを有する増幅部10を備えている。これにより、読み出し時間を短縮することができるという利点がある。
【0022】
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態を示すセンスアンプの構成図であり、図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【0023】
このセンスアンプは、図1中の増幅部10に代えて、構成要素を追加した増幅部10Aを設けている。即ち、増幅部10Aでは、ノードN1aと電源電圧VDDの間に、ノードN1bの電圧で導通状態が制御されるPMOS14aを接続すると共に、ノードN1bと電源電圧VDDの間に、ノードN1aの電圧で導通状態が制御されるPMOS14bを接続している。その他の構成は、図1と同様である。
【0024】
次に動作を説明する。
【0025】
データ読み出し時に、選択されたメモリセルに保持されている信号がデータ線DL,/DLに出力され、例えばデータ線DLが接地電圧GNDに向かって徐々に下がり始め、ノードN1aの信号SOがノードN1bの信号/SOよりも低くなる。これにより、NMOS12bがオフ状態となって信号/SOが“H”に向かって立ち上がり、NMOS12aはオン状態となり、信号SOは急速に“L”に向かって立ち下がる。そして、PMOS22aがオン状態となり、ラッチ部30には“H”のデータ/OUTが書き込まれ、同時に“L”のデータOUTが書き込まれる。
【0026】
一方、PMOS14bは、信号SOが“L”になるとオン状態となり、ノードN1bの信号/SOは直ちに“H”となる。これにより、PMOS14a,22bは直ちにオフ状態となり、電流が流れなくなる。
【0027】
以上のように、この第2の実施形態のセンスアンプは、増幅部10Aの一方のノードN1a(または、N1b)が“L”になったときに、他方のノードN1b(または、N1a)を直ちに“H”にするためのPMOS14a,14bを有している。これにより、データの読み出し期間中にPMOS22b(または、22a)を介してラッチ部30に電流が流れることがなくなり、第1の実施形態の利点に加えて、無駄な消費電力を低減できるという利点がある。
【0028】
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態を示すセンスアンプの構成図であり、図2中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【0029】
このセンスアンプは、図2と同様の増幅部10A、ラッチ部30、及びPMOS21a,21bを有している。更に、このセンスアンプは、図2中のPMOS22a,22bに代えて、PMOS23a,23b、NMOS24a,24b,25a,25bを有している。
【0030】
PMOS23aとNMOS24aはインバータを構成し、その入力側がノードN1aに接続され、出力側がNMOS25aのゲートに接続されている。NMOS25aのドレインはノードN3aに接続され、ソースは接地電圧GNDに接続されている。同様に、PMOS23bとNMOS24bはインバータを構成し、その入力側がノードN1bに接続され、出力側がNMOS25bのゲートに接続されている。NMOS25bのドレインはノードN3bに接続され、ソースは接地電圧GNDに接続されている。
【0031】
また、PMOS23aとNMOS24aによるインバータの閾値電圧と、PMOS23bとNMOS24bによるインバータの入力の閾値電圧は、増幅部10Aの動作点電圧(データ読み出し直前のノードN1a,N1bの電圧)よりも低い値に設定されている。
【0032】
このセンスアンプでは、データ読み出し前のノードN1a,N1bの電圧が、PMOS23aとNMOS24aによるインバータ、及びPMOS23bとNMOS24bによるインバータの閾値電圧より高いので、これらのインバータの出力信号は“L”となる。これにより、NMOS25a,25bはオフ状態となっており、ラッチ部30のデータは書き替えられない。
【0033】
次に、データ読み出しが行われて、ノードN1a,N1bのいずれか一方の電圧が“L”になると、これに対応したインバータの出力信号が“H”となり、ラッチ部30に対するデータの書き込みが行われる。
【0034】
以上のように、この第3の実施形態のセンスアンプは、データ読み出し前にはラッチ部30に対する書き込み制御用のNMOS25a,25bをオフ状態にするためのインバータを有している。これにより、データが確実に読み出されるまでラッチ部30のデータが書き替えられることなく、正しいデータが出力される前に誤った擬似データが出力されるおそれがないという利点がある。
【0035】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
(a) ラッチ部30の構成は、例示したものに限定されない。
(b) 図3中の増幅部10Aに代えて、図1と同様の増幅部10を用いても良い。
【0036】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、データ線から与えられる信号を増幅するために、NMOSによるクロスカップル型の増幅部を使用している。これにより、データ線に与えられる信号の変化によって増幅部の動作が直ちに開始されるので、読み出し時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すセンスアンプの構成図である。
【図2】本発明の第2の実施形態を示すセンスアンプの構成図である。
【図3】本発明の第3の実施形態を示すセンスアンプの構成図である。
【符号の説明】
10,10A 増幅部
11,12,13,24,25 NMOS
14,21,22,23 PMOS
30 ラッチ部
Claims (6)
- データの読み出し時にデータ線から与えられる信号を増幅して内部ノードに該データに対応する電圧を出力するNチャネルMOSトランジスタによるクロスカップル型の増幅部と、
前記データの読み出し前に前記内部ノードを電源電圧に接続し、該データの読み出し時には該内部ノードを該電源電圧から切り離すプリチャージ部と、
出力ノードと前記電源電圧または接地電圧の間に接続され、前記内部ノードの電圧でオン/オフ制御されるデータ出力部と、
前記出力ノードに接続され、該出力ノードのレベルを保持して出力するラッチ部とを、
備えたことを特徴とするセンスアンプ。 - 前記増幅部は、
前記電源電圧と第1及び第2の前記内部ノードの間に接続され、それぞれ前記データ線から与えられる相補的な信号で導通状態が制御される第1及び第2のNチャネルMOSトランジスタと、
前記第1の内部ノードと第3の内部ノードの間に接続され、前記第2の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第3のNチャネルMOSトランジスタと、
前記第2の内部ノードと前記第3の内部ノードの間に接続され、前記第1の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第4のNチャネルMOSトランジスタと、
前記第3の内部ノードと接地電圧の間に接続され、前記データの読み出し時にオン状態に制御される第5のNチャネルMOSトランジスタとで構成されたことを特徴とする請求項1記載のセンスアンプ。 - 前記増幅部は、
前記電源電圧と第1及び第2の前記内部ノードの間に接続され、それぞれ前記データ線から与えられる相補的な信号で導通状態が制御される第1及び第2のNチャネルMOSトランジスタと、
前記電源電圧と前記第1の内部ノードの間に接続され、前記第2の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第1のPチャネルMOSトランジスタと、
前記電源電圧と前記第2の内部ノードの間に接続され、前記第1の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第2のPチャネルMOSトランジスタと、
前記第1の内部ノードと第3の内部ノードの間に接続され、前記第2の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第3のNチャネルMOSトランジスタと、
前記第2の内部ノードと前記第3の内部ノードの間に接続され、前記第1の内部ノードの電圧で導通状態が制御される第4のNチャネルMOSトランジスタと、
前記第3の内部ノードと接地電圧の間に接続され、前記データの読み出し時にオン状態に制御される第5のNチャネルMOSトランジスタとで構成されたことを特徴とする請求項1記載のセンスアンプ。 - 前記プリチャージ部は、
前記電源電圧と前記第1の内部ノードの間に接続され、プリチャージ信号でオン/オフ制御される第3のPチャネルMOSトランジスタと、
前記電源電圧と前記第2の内部ノードの間に接続され、前記プリチャージ信号でオン/オフ制御される第4のPチャネルMOSトランジスタとで構成されたことを特徴とする請求項2または3記載のセンスアンプ。 - 前記データ出力部は、
第1の前記出力ノードと前記電源電圧の間に接続され、前記第1の内部ノードの電圧でオン/オフ制御される第5のPチャネルMOSトランジスタと、
第2の前記出力ノードと前記電源電圧の間に接続され、前記第2の内部ノードの電圧でオン/オフ制御される第6のPチャネルMOSトランジスタとで構成されたことを特徴とする請求項4記載のセンスアンプ。 - 前記データ出力部は、
前記データ読み出し前の前記第1の内部ノードの電圧よりも低い閾値電圧を有し、該第1の内部ノードの信号レベルを反転する第1のインバータと、
前記データ読み出し前の前記第2の内部ノードの電圧よりも低い閾値電圧を有し、該第2の内部ノードの信号レベルを反転する第2のインバータと、
第1の前記出力ノードと前記接地電圧の間に接続され、前記第1のインバータの出力信号でオン/オフ制御される第6のNチャネルMOSトランジスタと、
第2の前記出力ノードと前記接地電圧の間に接続され、前記第2のインバータの出力信号でオン/オフ制御される第7のNチャネルMOSトランジスタとで構成されたことを特徴とする請求項4記載のセンスアンプ。
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