JP2004502268A - 高速メモリにおける同時差動データ感知および捕捉のための方法ならびに装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体メモリの分野に関し、特に高速メモリの読出動作経路遅延を減らすためのシステムおよび方法に関する。
【0002】
【発明の背景】
半導体メモリでは、メモリアレイのビット線上で感知され復元される読出データは、典型的には長いデータバスラインを経由して半導体の出力ピンまたはパッドに運ばれる。バスラインは列アクセス装置を通じてビット線に接続される。これらの列アクセス装置は、通常n−チャネルパストランジスタである。ビット線からデータバスへの読出データの伝搬での遅延の低減は、列アクセス装置の低いドライブ能力およびデータバストレースの重い容量性負荷によって制限される。列アクセス装置のサイズおよびドライブは、いくつかの要因の制約を受ける。第1は、ビット線のキャパシタンスが感知の速さにとって制約であるDRAMである場合は特に、ビット線上の過度の容量性負担を避ける必要があることである。第2は、列アクセス装置のイネーブルの前に、その値がデータバスの初期状態に対して相補的な値であるデータを読出そうとするときに、正しくない状態のためにセンスアンプが反転される機会を排除する必要があることである。
【0003】
データバスライン上のゆっくりとした電圧変化のための過度の読出レイテンシを避けるために、典型的には、データバスラインは、それぞれの列アクセス装置を通じて、それぞれの相補的なビット線対に接続される相補的対にグループ分けされる。関連するビット線対からのデータ読出によるデータバス対上の電圧差は、差動増幅器(データバスセンスアンプ)によって増幅される。同期インターフェイスを備えるメモリでは、増幅された読出データは典型的には、図1(a)に示される出力ピンまたはパッドに伝送される前に、シングルエンド型入力D型フリップフロップによってラッチされる。この手法の欠点は、読出プロセスの順次的な性質、ならびにデータバス対DBおよび/DBとシングルエンド型入力フリップフロップとの間に挿入された差動増幅器を使用する伝統的な手法によって要求されるシリアルタイミングが読出動作に不必要な遅延を追加することであり、これはサイクル時間を制限し得る。よってメモリの読出動作を加速することが望ましい。
【0004】
【発明の概要】
この発明は、同期型半導体メモリの読出操作での不必要な遅延の問題を解決しようとするものである。
【0005】
この発明の利点は、伝統的なデータバスセンスアンプの差動信号増幅をD型フリップフロップのデータ捕捉機能と組み合わせた回路素子である。
【0006】
この発明のさらなる利点は、非読出期間中の不必要な電力消費を減らすことである。
【0007】
この発明に従うと、差動データ感知および捕捉回路が提供され、これは
(a) 第1および第2の出力ノードを有する、前記差動データ信号のそれぞれを受取るための差動入力段回路と、
(b) 第1および第2の相補的な入力が前記第1および第2の出力ノードのそれぞれから信号を受取るように結合されているラッチ素子と、
(c) 前記差動入力段の電力消費が抑えられるように、イネーブル信号に応答して前記差動入力段へのクロック信号を動的にイネーブルおよびディスエーブルするためのゲート回路とを含む。
【0008】
この発明の好ましい実施例のこれらおよび他の特徴は、添付の図面が参照される以下の詳細な説明でさらに明らかになるであろう。
【0009】
【好ましい実施例の詳細な説明】
以下の説明では、同じ番号が図面の同じ構造を示す。図1Aを参照すると、先行技術による半導体メモリのためのデータ出力回路100の一部の概略図が示される。この出力回路は、アクセストランジスタ106を経由してビット線BLTに結合されるストレージコンデンサ104を含む、メモリセル102を含む。アクセストランジスタ106は、Xアドレスデコーダ108によって生成される信号によって活性化されるワード線に沿ってそのゲートが接続されている。ビット線センスアンプ110は、ビット線の相補対の間に結合される。メモリセル102の列またはビット線は、それぞれの列アクセス装置112を経由してデータバスラインDBおよび/DBに結合される。列アクセス装置112は、通常Yアドレスデコーダ114からの信号によって活性化される。その出力が単一入力D型フリップフロップ118を駆動する、差動入力データバスセンスアンプ116は、データバスラインDBおよび/DBを感知する。フリップフロップ118は、そのQ出力が読出データ出力ラインに接続されている。データバスセンスアンプはそのラインのデータを感知し、これはその後フリップフロップ118をクロックすることによってラッチされる。
【0010】
図1Bを参照すると、この発明の実施例によるデータ出力回路150が示される。この回路構成では、図1Aに示されるように別々のデータバスセンスアンプ116と単一入力D型フリップフロップ118とを有するのではなく、差動入力D+およびD−がデータバスラインDBおよび/DBに直接結合されている、単一の差動入力D型フリップフロップ300が設けられる。フリップフロップ300は、不必要な読出動作遅延を減らし、アイドル(非読出)期間中の電力消費を改善する。フリップフロップ300の詳細な説明が以下に続く。
【0011】
図2を参照すると、図1Aに示される種類の伝統的なD型フリップフロップ118の概略図が示される。フリップフロップ回路118は、単一のD入力、クロック入力CLKおよび相補的出力対Qならびに/Qを有する。図1Aに示されるように、このD型フリップフロップ118は、通常データバスセンスアンプ116の出力に接続され、図1Aに概略的に示されるように、その出力の1つが読出データ経路に接続される。この回路構成の欠点は発明の背景で検討される。フリップフロップ118は、そのソースがn−チャネルトランジスタN3を通じて接地される交差結合されたn−チャネルトランジスタN4およびN5の対を含む、データ入力回路を有する。交差結合されたトランジスタN4およびN5のそれぞれのドレインは、入力トランジスタN1およびN2のそれぞれに結合され、これらはトランジスタN4およびN5をp−チャネルトランジスタP1およびP2のそれぞれを通じて供給電力Vccに結合する。D入力はトランジスタN1のゲートに結合され、D入力の反転されたものはインバータ11を経由してトランジスタN2のゲートに結合される。この回路118は、単一の入力には好適であるが、差動データ入力のためには修正しなければならない。
【0012】
図3Aを参照すると、この発明の実施例による、差動データ入力に適合されるフリップフロップ回路300が示される。フリップフロップ118のように、フリップフロップ300は、そのソースがn−チャネルトランジスタN3を通じて接地される交差結合されたn−チャネルトランジスタN4およびN5の対含む、データ入力回路を含む。交差結合されるトランジスタN4およびN5のそれぞれのドレインは、入力トランジスタN1とN2のそれぞれに結合され、これらはトランジスタN4およびN5をp−チャネルトランジスタP1およびP2のそれぞれを通じて供給電力Vccに結合する。ラッチ型増幅回路が、ノードIDおよび/IDに結合され、p−チャネルトランジスタP3、P4、n−チャネルトランジスタN6、N7および交差結合されたNANDゲート308ならびに310のまわりに形成される。回路300では、図2のインバータI1にトランジスタN2に入力を提供させる代わりに、第2の差動入力D−がトランジスタN2のゲートに直接設けられる。よって、相補的なデータ入力は、トランジスタN1およびN2のそれぞれのゲートに結合される、D+およびD−として示される。さらに、トランジスタN3は取除かれ、クロック入力CLKが論理「1」である間に接地供給電力を提供するためにクロック入力CLKの相補的なものCLKNが追加された。これはCLKN信号をプルダウントランジスタN4およびN5のドレインに接続することによって達成される。よって、不必要な電力消費を減らすため、クロック入力は、差動フリップフロップ300のゲートを可能にし、読出動作が行なわれていないときにこれをディスエーブルする。この修正はまた、メモリのクロックから読出データ出力タイミングへの悪影響を制限する。
【0013】
図3Bを参照すると、この発明の実施例による、メモリのデータバス対に結合される2つの差動入力D型フリップフロップ300の概略図380が示される。この回路構成380に示されるように、クロックゲート回路382は、ゲートクロックGCLK入力およびイネーブル入力ENNを有する2入力のNORゲートを含む。NORゲートの出力は、(図3AでトランジスタN4およびN5のドレインに設けられる)差動入力フリップフロップ300のCLKN入力に結合され、この出力の反転されたものは、(図3AでトランジスタP1およびP2のゲートに設けられる)フリップフロップ300のCLK入力に接続される。示されるように、クロックゲート回路382は、選択的にフリップフロップ300をイネーブルして差動入力データを受入れ、シングルエンド読出データ出力RD1およびRD2を与える。
【0014】
図4を参照すると、クロックゲート回路382および差動入力フリップフロップ300の動作に関連するタイミング波形が示される。示されるように、3つの例示的なGCLKクロック信号の期間は、「読出0」に「アイドル」が続き、これに「読出1」が続く動作を含むが、このシーケンスはこの発明を実現するためには要求されない。読出動作中、アクティブローイネーブル信号ENN信号はローであり、よってクロックゲート回路382のNORゲートをイネーブルする。NORゲートがイネーブルされると、GCLKの後続の立ち下がりエッジで、NORゲートの出力はCLKNパルスを生成し、クロックゲート回路382のインバータの出力はCLKパルスを生成する。CLKパルスがローであると、図3AのトランジスタP1およびP1はオンされ、IDおよび/ID信号の両方をハイにプリチャージし、一方トランジスタN1、N2、N4、N5を含む入力段は、CLKNがハイであるためディスエーブルされる。相補的なデータバス対上に差動電圧が展開されると、差動入力D+およびD−は、CLKNの立ち下がりエッジでフリップフロップ300によって感知およびラッチされ、Qおよび/Q出力を生成する。「アイドル」サイクルは、ENNをハイに維持し、よってクロックゲート回路382をディスエーブルし、Qおよび/Q上に同じ出力を維持する。第3のサイクル中に「0」を読出すと、ENN信号は再びアサートされ、これによりクロックゲート回路382がイネーブルされる。「1」を読出す場合と同様、CLK信号の立ち下がりエッジはIDおよび/ID信号の両方をハイにプリチャージする。するとCLKN信号の立ち下がりエッジは差動データを感知およびラッチし、これはフリップフロップ300のQおよび/Q出力を生成する。したがって、差動入力フリップフロップ300は、差動フリップフロップへのクロック入力をゲートし、読出動作が行なわれていないときにこれをディスエーブルすることによって、不必要な電力消費を減らす。
【0015】
図5を参照すると、外部クロックゲート回路または相補的なクロック入力なしで、限定された動的電力管理を支援する、差動入力フリップフロップ回路300の別の実施例が示される。回路500では、Pチャネル装置の対はイネーブル信号によって制御され、付加的なトランジスタN8がトランジスタN3に接続されるが、これもイネーブル信号によって駆動される。よって、この回路500では、CLKN信号は使用されない。
【0016】
図6Aおよび6Bを参照すると、短いビット線DRAMアレイに適用される、この発明のさらなる実施例が示される。この構成では、差動入力フリップフロップ300はビット線に結合され、メモリセルの読出を直接感知して電圧レベルに捕捉する。この構成は、レイアウトルールによってフリップフロップ回路をビット線ピッチ内にフィッティングすることが可能であるか、またはフリップフロップ回路をスタガさせてビット線ピッチ内にフィッティングすることが可能である、小型メモリアレイに最適である。データバスの感知およびラッチに関連するすべての制御およびタイミング回路が省略されるため、これにより非常に高速な回路の実現が可能となるであろう。図6Aでは、差動入力フリップフロップ300は従来のビット線センスアンプに関連して接続されて示され、図6Bでは、差動入力フリップフロップ300は従来のビット線センスアンプに代わるものとして示される。図6Bに示される構成では、回路により捕捉されたデータは、メモリセルの電圧レベルを復元するため、(通常の書込動作回路または専用の復元回路を使用して)ライトバックされなければならないことが注目されるかもしれない。図6Aに示されるように、差動入力フリップフロップが従来のセンスアンプに関連して使用されるとき、回路は、ビット線対上のフルスイングの電圧レベルの復元のプロセスの前またはそのプロセス中に従来のセンスアンプによって読出データが捕捉されることを可能にする。
【0017】
この発明は、長いワイヤの対を使用してデータを同期システム内で差動的にまたはデュアルレールで伝送する、他の状況にも適用可能である。これは、高性能同期型SRAM、記録された出力を備える他の種類の電気的メモリ、ならびにデジタル信号プロセッサおよびマイクロプロセッサのデータパス内の、長く、負荷の重い差動またはデュアルレールデータバスを含んでもよい。
【0018】
この発明はある特定の実施例を参照して説明されてきたが、前掲の特許請求の範囲に示される発明の精神および範囲から離れることなく、そのさまざまな修正が当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1a】先行技術によるデータ感知および捕捉回路の概略図である。
【図1b】この発明によるデータ感知および捕捉回路の概略図である。
【図2】単一入力D型フリップフロップの概略図である。
【図3a】この発明の実施例による差動入力フリップフロップ回路の概略図である。
【図3b】この発明によるクロックゲート回路の概略図である。
【図4】図3bの回路のタイミング波形図である。
【図5】この発明のさらなる実施例の概略図である。
【図6a】この発明のさらなる実施例の概略図である。
【図6b】この発明のさらなる実施例の概略図である。
Claims (5)
- 半導体メモリで使用するための差動入力ラッチであって、
(a) 入力データ信号対のそれぞれを受取って、前記入力データ信号対間の差を示す出力信号対を第1および第2のノードのそれぞれに生成するための差動入力段回路と、
(b) 前記出力信号を前記第1および第2のノードで増幅するための増幅素子と、
(c) 前記増幅された出力信号のそれぞれを前記第1および第2の出力ノードでラッチするためのラッチ素子と、
(d) 前記差動入力段の電力消費が抑えられるように、イネーブル信号に応答して前記差動入力段へのクロック信号を動的にイネーブルおよびディスエーブルするためのゲート回路とを含む、差動入力ラッチ。 - 差動データ感知および捕捉のための方法であって、
(a) 差動入力段回路で前記差動データ信号のそれぞれを受取るステップを含み、前記差動入力段は第1および第2の出力ノードを有し、前記方法はさらに、
(b) 前記第1および第2の出力ノードを増幅するステップと、
(c) 前記増幅された第1および第2の出力ノードを、第1および第2の相補的な入力を有するラッチ素子に結合するステップと、
(d) 前記差動入力段の電力消費が抑えられるように、イネーブル信号に応答して前記差動入力段へのクロック信号を選択的にイネーブルおよびディスエーブルするステップとを含む、方法。 - 前記差動入力回路は、前記入力データ信号の前記それぞれを受取るためにソースがクロック入力信号に結合され、ドレインがn−チャネルトランジスタのそれぞれに結合されている、交差結合されたN−チャネルトランジスタ対を含む、請求項1に記載の差動入力ラッチ。
- 前記ラッチ素子は、交差結合されたNANDゲート対を含む、請求項1に記載の差動入力ラッチ。
- 半導体メモリで使用するための差動入力ラッチであって、
(a) 入力データ信号対のそれぞれを受取って、前記入力データ信号対間の差を示す出力信号対を第1および第2のノードのそれぞれに生成するための差動入力段回路と、
(b) 前記出力信号を前記第1および第2のノードで増幅するための増幅素子と、
(c) 前記増幅された出力信号のそれぞれを前記第1および第2の出力ノードでラッチするためのラッチ素子と、
(d) 前記差動入力段の電力消費が抑えられるように、前記差動入力段に関連付けられ、イネーブル信号に応答して前記差動入力段を動的にイネーブルおよびディスエーブルするための、クロック入力ノードとを含む、差動入力ラッチ。
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