JP2012174318A - Sense amplifier circuit - Google Patents

Sense amplifier circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2012174318A
JP2012174318A JP2011037119A JP2011037119A JP2012174318A JP 2012174318 A JP2012174318 A JP 2012174318A JP 2011037119 A JP2011037119 A JP 2011037119A JP 2011037119 A JP2011037119 A JP 2011037119A JP 2012174318 A JP2012174318 A JP 2012174318A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sense amplifier
amplifier circuit
substrate
nmosfet
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011037119A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5243568B2 (en
Inventor
Tetsuya Hirose
哲也 廣瀬
Chotaro Masuda
長太郎 増田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Technology Academic Research Center
Original Assignee
Semiconductor Technology Academic Research Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Technology Academic Research Center filed Critical Semiconductor Technology Academic Research Center
Priority to JP2011037119A priority Critical patent/JP5243568B2/en
Publication of JP2012174318A publication Critical patent/JP2012174318A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5243568B2 publication Critical patent/JP5243568B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sense amplifier circuit capable of acceleration without increasing power consumption as much as possible.SOLUTION: In the sense amplifier circuit including a latch circuit formed by connecting two inverters, and two transistors for precharge inserted between a bit line and each output node of the latch circuit to perform precharge operation in response to a sense amplifier activation signal, precharge operation is accelerated by applying predetermined voltage between a substrate and a source of each transistor for precharge, using a substrate bias effect of the transistor and lowering threshold voltage. An inverter circuit for inverting a sense amplifier activation signal or the inversion signal thereof and applying the inverted signal to the substrate of each transistor for precharge is provided, an nMOSFET source terminal of each inverter circuit is connected to an output node of the latch circuit, and reuses substrate leak current caused to flow to the output node from the substrate of each transistor for precharge through an nMOSFET during precharging.

Description

本発明は、例えばSRAM(Static Random Access Memory)に用いるためのセンスアンプ回路に関する。   The present invention relates to a sense amplifier circuit for use in, for example, an SRAM (Static Random Access Memory).

近年、ユビキタス社会に更なる価値を付加する情報社会の形態として、アンビエントエレクトロニクスの実現が期待されている。ユビキタス社会では、コンピュータの存在を意識することなく、ユーザーがコンピュータにアクセスすることが可能である。ユビキタス社会の恩恵を享受するためには、ユーザーからの能動的なアクセスが必須であった。一方、アンビエントエレクトロニクスでは、個々のユーザーに適した情報を、コンピュータ自身が選択しユーザーに提供する。アンビエントエレクトロニクスの実現によって、情報社会が我々にとってより身近なものとなることが予想される。アンビエントエレクトロニクスを実現するためには、環境センサや生体センサなどの次世代CMOS LSI(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Large Scale Integration)アプリケーションの開発が不可欠である。環境センサは、我々の身の回りに多数設置することを前提としている。そのため、頻繁にバッテリーを交換すると人的コストがかかる。また、生体センサは人体に直接埋め込むため、手術によるバッテリー交換は装着者の負担となる。以上のことから、これらのセンサデバイスは、超小型バッテリーもしくは周辺環境から供給される非常に限られた電力により長期間動作することが求められる。従って、次世代CMOSLSIアプリケーションを実現するためには、超低消費電力LSIの開発が欠かせない。   In recent years, the realization of ambient electronics is expected as a form of information society that adds further value to a ubiquitous society. In the ubiquitous society, a user can access a computer without being aware of the existence of the computer. In order to enjoy the benefits of a ubiquitous society, active access from users was essential. On the other hand, in ambient electronics, the computer itself selects information suitable for each user and provides it to the user. The realization of ambient electronics is expected to make the information society more accessible to us. In order to realize ambient electronics, development of next-generation CMOS LSI (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Large Scale Integration) applications such as environmental sensors and biological sensors is indispensable. It is assumed that many environmental sensors will be installed around us. For this reason, it is expensive to replace the battery frequently. Further, since the biosensor is directly embedded in the human body, battery replacement by surgery is a burden on the wearer. From the above, these sensor devices are required to operate for a long period of time with very limited power supplied from a micro battery or the surrounding environment. Therefore, in order to realize a next-generation CMOS LSI application, development of an ultra-low power consumption LSI is indispensable.

これまでLSIにおける消費電力は、スケーリング則に基づく微細化とそれに伴う電源電圧の低減によって削減されてきた。しかし近年、これらの方法によって消費電力を削減し続けることは困難である。これは、LSI内におけるリーク電流の増加が原因である。設計プロセスの微細化に伴うゲート絶縁膜の薄膜化により、ゲート絶縁膜を介してゲート−ソース間、ゲート−ドレイン間に流れるゲートリーク電流が増加する。また、電源電圧の低下に伴い、しきい値電圧を低減する必要があるため、それに伴ってサブスレッショルドリーク電流が増加する。サブスレッショルドリーク電流は、しきい値電圧が減少すると指数関数的に増加する。そのため、スケーリング則に基づく微細化や電源電圧の低減を続けることによって、サブスレッショルドリーク電流は加速度的に増加する。これらのリーク電流の増加が、LSIの消費電力削減において障害となる。従って、これまでとは異なる消費電力の削減方法が求められる。現在、従来の低消費電力化設計手法に代わって、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)のサブスレッショルド領域動作が注目されている。MOSFETのサブスレッショルド領域動作は、消費電力を劇的に削減する方法として有効である。しかし、サブスレッショルド領域におけるMOSFETの特性はPVT(Process, Voltage, and Temperature)バラツキによって大きく変動する。よって、いかなる環境においても安定動作するサブスレッショルドLSIの実現には課題が伴う。   Until now, the power consumption in LSI has been reduced by miniaturization based on the scaling law and the accompanying reduction in power supply voltage. However, in recent years, it is difficult to continue to reduce power consumption by these methods. This is due to an increase in leakage current in the LSI. Due to the thinning of the gate insulating film accompanying the miniaturization of the design process, the gate leakage current flowing between the gate and the source and between the gate and the drain through the gate insulating film increases. Further, since the threshold voltage needs to be reduced as the power supply voltage decreases, the subthreshold leakage current increases accordingly. The subthreshold leakage current increases exponentially as the threshold voltage decreases. Therefore, the subthreshold leakage current increases at an accelerated rate by continuing miniaturization based on the scaling law and reducing the power supply voltage. Such an increase in leakage current becomes an obstacle in reducing the power consumption of LSI. Therefore, there is a need for a method for reducing power consumption that is different from the conventional one. At present, the subthreshold region operation of MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is drawing attention instead of the conventional low power consumption design method. The subthreshold region operation of the MOSFET is effective as a method for dramatically reducing power consumption. However, the characteristics of the MOSFET in the subthreshold region vary greatly due to variations in PVT (Process, Voltage, and Temperature). Therefore, there are problems in realizing a subthreshold LSI that stably operates in any environment.

A.Pavlov et al., "CMOS SRAM Circuit Design and Parametric Test in Nano-Scaled Technologies",Springer, pp.13-30, 2009.A. Pavlov et al., "CMOS SRAM Circuit Design and Parametric Test in Nano-Scaled Technologies", Springer, pp.13-30, 2009. C.Hsu et al., "New Current-Mirror Sense Amplifier Design for High-Speed SRAM Applications", IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol.E89-A, No.2, pp.377-384, 2006.C. Hsu et al., "New Current-Mirror Sense Amplifier Design for High-Speed SRAM Applications", IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol.E89-A, No.2, pp.377-384, 2006 . M.Sumita et al., "Mixed Body Bias Techniques With Fixed Vt and Ids Generation Circuits", IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. 40, No.1, pp.60-66, 2005.M. Sumita et al., "Mixed Body Bias Techniques With Fixed Vt and Ids Generation Circuits", IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. 40, No.1, pp.60-66, 2005.

記憶素子であるSRAMは、LSIにおいて重要な要素回路である。SRAMはチップ面積の大部分を占有することから、LSIの性能を大きく左右する。センスアンプ回路は、SRAMセルに保持されているデータを読み出す際に用いられる増幅回路である。SRAMの読み出し動作時、SRAMセルに接続された2本のビット線(BLとBLB)に電位差が生じる。センスアンプ回路がビット線間の電位差を増幅することによって、SRAMセル内の保持データを読み取ることができる。センスアンプ回路によって増幅動作を行った後、再び増幅動作を行うためにはセンスアンプ回路のプリチャージ動作を行う必要がある。   An SRAM that is a storage element is an important element circuit in an LSI. Since SRAM occupies most of the chip area, it greatly affects the performance of the LSI. The sense amplifier circuit is an amplifier circuit used when reading data held in the SRAM cell. During the read operation of the SRAM, a potential difference is generated between the two bit lines (BL and BLB) connected to the SRAM cell. The sense amplifier circuit amplifies the potential difference between the bit lines, so that the data held in the SRAM cell can be read. In order to perform the amplification operation again after performing the amplification operation by the sense amplifier circuit, it is necessary to perform the precharge operation of the sense amplifier circuit.

ところで、MOSFETには正孔が電流伝導を担うキャリアとなるpチャンネルMOSFET(以下、pMOSFETという。)、電子がキャリアとなるnチャンネルMOSFET(以下、nMOSFETという。)の2種類がある。MOSFETはゲート−ソース間電圧VGSを変化させることで、ドレイン電流Iを制御する。 There are two types of MOSFETs: p-channel MOSFETs (hereinafter referred to as pMOSFETs) in which holes are carriers responsible for current conduction, and n-channel MOSFETs (hereinafter referred to as nMOSFETs) in which electrons are carriers. The MOSFET controls the drain current ID by changing the gate-source voltage VGS .

図1は従来技術に係るMOSFETの電圧VGS対電流I特性(線形スケール)を示すグラフであり、図2は従来技術に係るMOSFETの電圧VGS対電流I特性(対数スケール)を示すグラフである。図1及び図2から明らかなように、電圧VGSがしきい値電圧VTHを超えるとドレイン電流Iが急激に増加する。VGS>VTHの領域を強反転領域、VGS<VTHの領域をサブスレッショルド領域と呼ぶ。MOSFETは強反転領域とサブスレッショルド領域でそれぞれ異なる特性を有する。 FIG. 1 is a graph showing a voltage V GS vs. current ID characteristic (linear scale) of a MOSFET according to the prior art, and FIG. 2 shows a voltage V GS vs. current ID characteristic (logarithmic scale) of the MOSFET according to the prior art. It is a graph. As apparent from FIGS. 1 and 2, when the voltage V GS exceeds the threshold voltage V TH , the drain current ID increases rapidly. The region of V GS > V TH is called a strong inversion region, and the region of V GS <V TH is called a subthreshold region. MOSFETs have different characteristics in the strong inversion region and the subthreshold region.

図3は従来技術に係るMOSFETの強反転領域の電圧VDS対電流I特性を示すグラフである。電圧VDSはMOSFETのドレイン−ソース間電圧である。図3から明らかなように、VDS対I特性は、VDS<VGS−VTHの領域とVDS>VGS−VTHの領域で異なる特性を示す。前者を強反転線形領域、後者を強反転飽和領域と呼ぶ。一般に、強反転領域で回路を設計すると、高速な動作が可能になるが、消費電力が大きい。 FIG. 3 is a graph showing voltage V DS vs. current ID characteristics in the strong inversion region of the MOSFET according to the prior art. The voltage VDS is a drain-source voltage of the MOSFET. As is apparent from FIG. 3, the V DS vs. ID characteristics show different characteristics in the region of V DS <V GS −V TH and the region of V DS > V GS −V TH . The former is called a strong inversion linear region, and the latter is called a strong inversion saturation region. In general, when a circuit is designed in a strong inversion region, high-speed operation is possible, but power consumption is large.

図4は従来技術に係るMOSFETのサブスレッショルド領域の電圧VDS対電流I特性を示すグラフである。一般に、VDS<0.1Vの領域をサブスレッショルド線形領域、VDS>0.1Vの領域をサブスレッショルド飽和領域と呼ぶ。一般に、サブスレッショルド領域動作では、ドレイン電流が非常に小さいため、回路の低消費電力化が期待できる。しかし、動作は低速となる。 FIG. 4 is a graph showing voltage V DS vs. current ID characteristics in a subthreshold region of a MOSFET according to the prior art. In general, a region where V DS <0.1 V is called a subthreshold linear region, and a region where V DS > 0.1 V is called a subthreshold saturation region. In general, in the sub-threshold region operation, the drain current is very small, so that low power consumption of the circuit can be expected. However, the operation is slow.

SRAMはLSI内で、データの記憶・保持を担う回路素子であり、CMOSインバータは、入力された論理の反転を行う論理回路である。SRAMセルは、CMOSインバータによって構成される。   The SRAM is a circuit element responsible for storing / holding data in the LSI, and the CMOS inverter is a logic circuit for inverting the input logic. The SRAM cell is constituted by a CMOS inverter.

図5は従来技術に係るCMOSインバータ11の構成を示す回路図である。CMOSインバータ11はpMOSFET(P1)とnMOSFET(N1)によって構成される。pMOSFET(P1)のソースは電源に接続され、nMOSFET(N1)のソースは接地される。pMOSFET(P1)のドレインとnMOSFET(N1)のドレインを接続し、これを出力ノードとする。インバータの入力にハイレベル信号が入力されるとnMOSFET(N1)が導通し、ローレベル信号が出力される。また、ローレベル信号が入力されると、pMOSFET(P1)が導通し、ハイレベル信号が出力される。   FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a CMOS inverter 11 according to the prior art. The CMOS inverter 11 includes a pMOSFET (P1) and an nMOSFET (N1). The source of the pMOSFET (P1) is connected to the power supply, and the source of the nMOSFET (N1) is grounded. The drain of the pMOSFET (P1) and the drain of the nMOSFET (N1) are connected and used as an output node. When a high level signal is input to the input of the inverter, the nMOSFET (N1) becomes conductive and a low level signal is output. When a low level signal is input, the pMOSFET (P1) becomes conductive and a high level signal is output.

SRAMセル内でデータを保持する回路として、インバータラッチ回路が用いられる。図6は従来技術に係るインバータラッチ回路の構成を示す回路図である。インバータラッチ回路は2つのCMOSインバータ11,12から構成され、そのうち、一方のインバータの出力を他方の入力に、それぞれ接続した回路である。インバータラッチ回路は、一方のインバータの出力電圧が他方の入力端子に入力されるため、ノードN、NBの電位は、一方がハイレベル、他方がローレベルとなり、安定状態となる。この安定状態を保つことによって、インバータラッチ回路が1ビットの情報を保持することができる。   An inverter latch circuit is used as a circuit for holding data in the SRAM cell. FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter latch circuit according to the prior art. The inverter latch circuit is composed of two CMOS inverters 11 and 12, of which one inverter is connected to the other input. In the inverter latch circuit, since the output voltage of one inverter is input to the other input terminal, one of the potentials of the nodes N and NB is at a high level and the other is at a low level. By maintaining this stable state, the inverter latch circuit can hold 1-bit information.

図7は従来技術に係るSRAMセルの構成を示す回路図である。SRAMセルはインバータラッチ回路を用いて1ビットの情報を保持する。アクセストランジスタN3、N4はデータの読み書きの際に導通するnMOSFETである。SRAMセルに保持されたデータを読み出す際は、まず、ビット線BL,BLBをハイレベルに立ち上げ、その後、ワード線WLをハイレベルに立ち上げる。ワード線WLをハイレベルに立ち上げると、2本のビット線BL,BLBのうちローレベルを保持するノードに接続されたビット線が放電され、ビット線BL、BLB間に微小な電位差が生じる(例えば、非特許文献2参照。)。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of an SRAM cell according to the prior art. The SRAM cell holds 1-bit information by using an inverter latch circuit. Access transistors N3 and N4 are nMOSFETs that conduct when data is read or written. When reading data held in the SRAM cell, first, the bit lines BL and BLB are raised to a high level, and then the word line WL is raised to a high level. When the word line WL is raised to the high level, the bit line connected to the node holding the low level among the two bit lines BL and BLB is discharged, and a minute potential difference is generated between the bit lines BL and BLB ( For example, refer nonpatent literature 2.).

センスアンプ回路は、SRAMセルに保持されているデータの読み出し動作に用いられる回路である。SRAMの読み出し動作時、SRAMセルに接続された2本のビット線BL,BLBに電位差が生じる。この電位差をセンスアンプ回路が増幅し、SRAMセルの保持データを読み出す。   The sense amplifier circuit is a circuit used for a data read operation held in the SRAM cell. During the read operation of the SRAM, a potential difference is generated between the two bit lines BL and BLB connected to the SRAM cell. This potential difference is amplified by the sense amplifier circuit, and the data held in the SRAM cell is read out.

図8は従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路(CCSA:Cross-coupled sense amplifier)の構成を示す回路図である。クロスカップル型センスアンプ回路、一般的にDRAMのデータ読み出しの用途に用いられる回路である。クロスカップル型センスアンプ回路は、インバータラッチ回路(N1,N2,P1,P2)、インバータラッチ回路とビット線の接続状態を制御するためのpMOSFET(P3,P4)、センスアンプ活性化信号(以下、SAE信号という、)がハイレベルとなった時にセンシング動作を開始するためのnMOSFET(N3)によって構成される。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a cross-coupled sense amplifier circuit (CCSA) according to the prior art. This is a cross-coupled sense amplifier circuit, which is a circuit generally used for reading data from a DRAM. The cross-couple type sense amplifier circuit includes an inverter latch circuit (N1, N2, P1, P2), a pMOSFET (P3, P4) for controlling the connection state between the inverter latch circuit and the bit line, and a sense amplifier activation signal (hereinafter referred to as “amplifier”). It is constituted by an nMOSFET (N3) for starting a sensing operation when the SAE signal becomes high level.

SAE信号としてローレベル信号が入力されているとき、センスアンプ回路は待機状態である。このとき、pMOSFETP3,P4が導通して出力ノードVOUT、VOUTBの電位はそれぞれビット線BL、BLBと等しくなる。SRAMセル内の保持データを読み出す際、BLとBLBに電位差が生じる。この電位差をセンシングするためには、SAE信号としてハイレベルを印加する。 When a low level signal is input as the SAE signal, the sense amplifier circuit is in a standby state. At this time, the pMOSFETs P3 and P4 become conductive, and the potentials of the output nodes V OUT and V OUTB become equal to the bit lines BL and BLB, respectively. When reading the data held in the SRAM cell, a potential difference is generated between BL and BLB. In order to sense this potential difference, a high level is applied as the SAE signal.

SAE信号としてハイレベル信号が印加されると、インバータラッチ回路構成のポジティブフィードバックが動作する。このポジティブフィードバックの作用により、出力ノードVOUT、VOUTBの電位がインバータラッチ回路の安定状態における電位に等しくなるまで、出力ノードVOUT、VOUTBの電位差が増幅される。そのため、電位の高いビット線に接続されている出力ノードの電位はハイレベルとなり、電位の低いビット線に接続されている出力ノード電位はローレベルとなる。このとき、センシング動作時間は、放電部分のトランジスタ(N1,N2,N3)のコンダクタンス及び出力ノードVOUT、VOUTBを構成するトランジスタ(N1,N2,P1,P2,P3,P4)のキャパシタンスに依存する。放電部分のコンダクタンスが高いほど、すなわち、nMOSFETN1,N2,N3のアスペクト比が大きいほど、各トランジスタのドレイン電流が増加する。また出力ノードVOUT、VOUTBを構成するトランジスタのキャパシタンスが小さいほど、すなわち、N1,N2,P1,P2,P3,P4のトランジスタサイズが小さいほど出力容量が小さくなるためセンシング動作時間が短くなる。 When a high level signal is applied as the SAE signal, the positive feedback of the inverter latch circuit configuration operates. By the action of the positive feedback, the output node V OUT, to a potential of V OUTB is equal to the potential in the stable state of the inverter latch circuit, the output node V OUT, the potential difference V OUTB is amplified. Therefore, the potential of the output node connected to the bit line having a high potential is at a high level, and the potential of the output node connected to the bit line having a low potential is at a low level. At this time, the sensing operation time depends on the conductance of the transistors (N1, N2, N3) in the discharge portion and the capacitance of the transistors (N1, N2, P1, P2, P3, P4) constituting the output nodes V OUT and V OUTB. To do. As the conductance of the discharge portion is higher, that is, as the aspect ratio of the nMOSFETs N1, N2, and N3 is larger, the drain current of each transistor increases. Also, the smaller the capacitance of the transistors constituting the output nodes V OUT and V OUTB , that is, the smaller the transistor size of N1, N2, P1, P2, P3, and P4, the smaller the output capacitance, so the sensing operation time is shortened.

クロスカップル型センスアンプ回路を構成するトランジスタ数は少ないため、小面積で実装することが可能である。また、直列接続されているトランジスタ数が少ないため、各トランジスタのドレイン−ソース間電圧を確保しやすく、低電圧動作が可能である。しかし、ビット線が出力ノードに接続されているため、ビット線容量が増加し、ビット線チャージに要する時間や消費電力が増加する。   Since the number of transistors constituting the cross-coupled sense amplifier circuit is small, it can be mounted with a small area. In addition, since the number of transistors connected in series is small, it is easy to secure the drain-source voltage of each transistor, and low voltage operation is possible. However, since the bit line is connected to the output node, the bit line capacitance increases, and the time and power consumption required for charging the bit line increase.

図9は従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路(CLSA:Current-latched sense amplifier)の構成を示す回路図である。カレントラッチ型センスアンプ回路は、インバータラッチ回路(N1,N2,P1,P2)、ビット線BL,BLBの電位をゲート入力とするnMOSFET(N3,N4)、SAE信号としてハイレベルを入力したときにセンシング動作を行うためのnMOSFET(N5)、出力ノードを充電するためのプリチャージ動作用pMOSFET(P3,P4)によって構成される。SAE信号としてローレベル信号が印加されているとき、pMOSFET(P3,P4)が導通する。また、nMOSFET(N5)が非導通状態となる。そのため、出力ノードVOUT,VOUTBは電源電圧VDDにより充電される。 FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a current latch type sense amplifier circuit (CLSA) according to the prior art. The current latch type sense amplifier circuit has an inverter latch circuit (N1, N2, P1, P2), an nMOSFET (N3, N4) having the potentials of the bit lines BL, BLB as gate inputs, and a high level input as an SAE signal. An nMOSFET (N5) for performing a sensing operation and a precharge operation pMOSFET (P3, P4) for charging an output node are configured. When a low level signal is applied as the SAE signal, the pMOSFETs (P3, P4) are turned on. Further, the nMOSFET (N5) is turned off. Therefore, the output nodes V OUT and V OUTB are charged by the power supply voltage V DD .

SAE信号としてハイレベル信号が印加されているときは、カレントラッチ型センスアンプは差動増幅器として動作する。このとき、ビット線BLとBLBの電位差がそれぞれ出力ノードVOUTとVOUTBに伝搬される。出力ノードVOUTとVOUTBの間に微小な電位差が生じると、インバータラッチ回路構成のポジティブフィードバックが動作する。このとき、インバータラッチ回路構成のトランジスタが出力ノードVOUTとVOUTBの電位差を電源電圧VDDもしくは0Vにフルスイングするまで増幅させる。カレントラッチ型センスアンプ回路を構成するトランジスタ数はクロスカップル型センスアンプ回路より多い。さらに、無負荷状態における出力ノードの容量がクロスカップル型センスアンプ回路より大きいため、センシング動作はクロスカップル型センスアンプ回路より遅い。しかし、ビット線がnMOSFET(N3,N4)のゲート端子に接続されているため、pMOSFETを通じてビット線と出力ノードが接続されるクロスカップル型センスアンプ回路よりビット線容量が小さい。 When a high level signal is applied as the SAE signal, the current latch type sense amplifier operates as a differential amplifier. At this time, the potential difference between the bit lines BL and BLB is propagated to the output nodes VOUT and VOUTB , respectively. When a minute potential difference is generated between the output nodes VOUT and VOUTB , the positive feedback of the inverter latch circuit configuration operates. At this time, the transistor of the inverter latch circuit configuration amplifies the potential difference between the output nodes VOUT and VOUTB until it fully swings to the power supply voltage VDD or 0V. The number of transistors constituting the current latch type sense amplifier circuit is larger than that of the cross-couple type sense amplifier circuit. Furthermore, since the capacitance of the output node in the no-load state is larger than that of the cross-coupled sense amplifier circuit, the sensing operation is slower than that of the cross-coupled sense amplifier circuit. However, since the bit line is connected to the gate terminal of the nMOSFET (N3, N4), the bit line capacitance is smaller than that of the cross-coupled sense amplifier circuit in which the bit line and the output node are connected through the pMOSFET.

図10は従来技術に係るカレントミラー型センスアンプ回路(CMSA:Current-mirror sense amplifier)の構成を示す回路図である。カレントミラー型センスアンプ回路は、インバータラッチ回路により信号増幅を行うクロスカップル型センスアンプ、カレントラッチ型センスアンプと異なり、電流比較により信号増幅を行う。カレントミラー型センサアンプ回路においては、nMOSFET(N1,N2,N3,N4)のゲート端子に、ビット線を接続する。また、pMOSFET(P1,P2,P3,P4)はカレントミラー構成となっている。カレントミラー型センサアンプ回路では回路に流れる電流の大きさを比較することによって入力電圧を判定する。   FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a current-mirror sense amplifier circuit (CMSA) according to the prior art. Unlike the cross-coupled sense amplifier and current latch type sense amplifier that perform signal amplification by an inverter latch circuit, the current mirror type sense amplifier circuit performs signal amplification by current comparison. In the current mirror type sensor amplifier circuit, a bit line is connected to the gate terminal of an nMOSFET (N1, N2, N3, N4). The pMOSFETs (P1, P2, P3, P4) have a current mirror configuration. In the current mirror type sensor amplifier circuit, the input voltage is determined by comparing the magnitude of the current flowing through the circuit.

SAE信号としてローレベル信号が印加されているとき、プリチャージ動作用pMOSFET(P5,P6)が導通する。このとき、nMOSFET(N5)が非導通状態である。そのため、出力ノードVOUT,VOUTBが電源電圧VDDにより充電される。一方、SAE信号としてハイレベル信号が印加されると、ビット線BLとBLBの電位に応じた電流が、nMOSFET(N1,N2,N3,N4)を流れる。これらの電流は、カレントミラー構成のpMOSFET(P1,P2,P3,P4)によって比較される。この電流量の差が、nMOSFETとpMOSFETのドレイン−ソース間電圧として現れることによって、出力ノードVOUT,VOUTBの電位はそれぞれハイレベル又はローレベルとなる。 When the low level signal is applied as the SAE signal, the precharge operation pMOSFETs (P5, P6) are turned on. At this time, the nMOSFET (N5) is non-conductive. Therefore, the output nodes V OUT and V OUTB are charged by the power supply voltage V DD . On the other hand, when a high level signal is applied as the SAE signal, a current corresponding to the potentials of the bit lines BL and BLB flows through the nMOSFETs (N1, N2, N3, N4). These currents are compared by pMOSFETs (P1, P2, P3, P4) having a current mirror configuration. The difference in the amount of current appears as the drain-source voltage between the nMOSFET and the pMOSFET, so that the potentials of the output nodes V OUT and V OUTB become high level or low level, respectively.

カレントミラー型センサアンプ回路では、SAE信号としてハイレベル信号が印加されているときは定常的に電流を消費し続ける。そのため消費電力が大きい。また、カレントミラー型センサアンプ回路では、カレントミラー部が飽和領域で動作する必要がある。従って、カレントミラー回路が線形領域で動作するような低電源電圧では正常に動作することができない。   In the current mirror type sensor amplifier circuit, when a high level signal is applied as the SAE signal, the current is continuously consumed. Therefore, power consumption is large. In the current mirror type sensor amplifier circuit, the current mirror section needs to operate in the saturation region. Therefore, it cannot operate normally at a low power supply voltage at which the current mirror circuit operates in the linear region.

上述のように、MOSFETのサブスレッショルド領域動作は消費電力を削減する方法として有効である。しかしながら、MOSFETのサブスレッショルド領域動作は、動作速度が低速である。そのため、低速動作を前提としたアプリケーションに対してのみ用いることが可能である。従って、従来回路をサブスレッショルド領域で動作させた場合、その適用可能なアプリケーションは限定されるという問題点があった。   As described above, the subthreshold region operation of the MOSFET is effective as a method for reducing power consumption. However, the operation of the subthreshold region of the MOSFET is slow. Therefore, it can be used only for an application premised on low-speed operation. Therefore, when the conventional circuit is operated in the subthreshold region, there is a problem that applicable applications are limited.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、より多くのアプリケーションに適用可能とするために、可能な限り消費電力を増加させずに高速化できるセンスアンプ回路を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a sense amplifier circuit capable of speeding up without increasing power consumption as much as possible in order to solve the above-described problems and make it applicable to more applications.

第1の発明に係るセンスアンプ回路は、2個のインバータをクロスカップルで接続してなるラッチ回路と、ビット線と上記ラッチ回路の各出力ノードとの間に挿入されセンスアンプ活性化信号に応答してプリチャージ動作するための2個のプリチャージ用トランジスタとを備えたクロスカップル型センスアンプ回路において、
上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することを特徴とする。
A sense amplifier circuit according to a first aspect of the present invention is a latch circuit formed by connecting two inverters in a cross couple, and is inserted between a bit line and each output node of the latch circuit and responds to a sense amplifier activation signal. In the cross-couple type sense amplifier circuit including two precharging transistors for precharging operation,
By applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each of the precharge transistors, the threshold voltage is lowered using the substrate bias effect of the transistor, thereby speeding up the precharge operation. Features.

上記センスアンプ回路において、上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備えたことを特徴とする。   The sense amplifier circuit further includes an inverter circuit that is provided for each of the precharge transistors and that inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of each of the precharge transistors. Features.

また、上記センスアンプ回路において、上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、上記nMOSFETのソース端子は接地されたことを特徴とする。   In the sense amplifier circuit, each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET, and a source terminal of the nMOSFET is grounded.

さらに、上記センスアンプ回路において、上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、上記nMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することを特徴とする。   Further, in the sense amplifier circuit, each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET, a source terminal of the nMOSFET is connected to an output node of the latch circuit, and a substrate of each precharging transistor at the time of precharging. The substrate leakage current flowing from the first through the nMOSFET to the output node is reused.

第2の発明に係るセンスアンプ回路は、2個のインバータをクロスカップルで接続してなるラッチ回路と、電源電圧と上記ラッチ回路の各出力ノードとの間に挿入されセンスアンプ活性化信号に応答してプリチャージ動作するための2個のプリチャージ用トランジスタとを備えたカレントラッチ型センスアンプ回路において、
上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a sense amplifier circuit comprising a latch circuit formed by connecting two inverters in a cross couple, and a sense amplifier activation signal inserted between a power supply voltage and each output node of the latch circuit. In a current latch type sense amplifier circuit including two precharging transistors for performing a precharging operation,
By applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each of the precharge transistors, the threshold voltage is lowered using the substrate bias effect of the transistor, thereby speeding up the precharge operation. Features.

上記センスアンプ回路において、上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備えたことを特徴とする。   The sense amplifier circuit further includes an inverter circuit that is provided for each of the precharge transistors and that inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of each of the precharge transistors. Features.

また、上記センスアンプ回路において、上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、上記nMOSFETのソース端子は接地されたことを特徴とする。   In the sense amplifier circuit, each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET, and a source terminal of the nMOSFET is grounded.

さらに、上記センスアンプ回路において、上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、上記nMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することを特徴とする。   Further, in the sense amplifier circuit, each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET, a source terminal of the nMOSFET is connected to an output node of the latch circuit, and a substrate of each precharging transistor at the time of precharging. The substrate leakage current flowing from the first through the nMOSFET to the output node is reused.

本発明に係るセンスアンプ回路によれば、上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することができる。また、上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備え、上記各インバータ回路のnMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することにより、消費電力を大幅に軽減できる。   According to the sense amplifier circuit of the present invention, by applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each of the precharging transistors, the threshold voltage is lowered using the substrate bias effect of the transistor. Thus, the precharge operation can be speeded up. And an inverter circuit that is provided for each precharge transistor and that inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of each precharge transistor. The source terminal is connected to the output node of the latch circuit, and by reusing the substrate leakage current flowing from the substrate of each precharging transistor to the output node via the nMOSFET at the time of precharging, the power consumption is greatly increased. Can be reduced.

従来技術に係るMOSFETの電圧VGS対電流I特性(線形スケール)を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage VGS vs. current ID characteristic (linear scale) of MOSFET which concerns on a prior art. 従来技術に係るMOSFETの電圧VGS対電流I特性(対数スケール)を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage VGS vs. current ID characteristic (logarithmic scale) of MOSFET which concerns on a prior art. 従来技術に係るMOSFETの強反転領域の電圧VDS対電流I特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage VDS vs. current ID characteristic of the strong inversion area | region of MOSFET which concerns on a prior art. 従来技術に係るMOSFETのサブスレッショルド領域の電圧VDS対電流I特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage VDS versus current ID characteristic of the subthreshold area | region of MOSFET which concerns on a prior art. 従来技術に係るCMOSインバータの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the CMOS inverter which concerns on a prior art. 従来技術に係るインバータラッチ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the inverter latch circuit based on a prior art. 従来技術に係るSRAMセルの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the SRAM cell which concerns on a prior art. 従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the cross couple type sense amplifier circuit based on a prior art. 従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the current latch type | mold sense amplifier circuit based on a prior art. 従来技術に係るカレントミラー型センサアンプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the current mirror type | mold sensor amplifier circuit based on a prior art. 本発明の基本実施形態に係る動的基板バイアスを用いたクロスカップル型センスアンプの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the cross couple type sense amplifier using the dynamic substrate bias which concerns on basic embodiment of this invention. 本発明の基本実施形態に係る動的基板バイアスを用いたカレントラッチ型センスアンプの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the current latch type | mold sense amplifier using the dynamic substrate bias which concerns on basic embodiment of this invention. 順方向バイアス時におけるpMOSFETの断面図である。It is sectional drawing of pMOSFET at the time of a forward bias. 本実施形態において基板リーク電流を出力容量の充電に利用する回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the circuit which utilizes board | substrate leak current for charge of output capacity in this embodiment. 本発明の第1の実施形態に係る動的基板バイアスを用いたクロスカップル型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a cross-coupled sense amplifier circuit using a dynamic substrate bias according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る動的基板バイアスを用いたカレントラッチ型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the current latch type | mold sense amplifier circuit using the dynamic substrate bias which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る基板リーク電流を再利用しないクロスカップル型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the cross couple type sense amplifier circuit which does not reuse the board | substrate leak current based on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る基板リーク電流を再利用しないカレントラッチ型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a current latch type sense amplifier circuit that does not reuse a substrate leakage current according to a fourth embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路の動作波形を示す波形図である。5 is a waveform diagram showing operation waveforms of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment. FIG. 第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路の動作波形であって、特に、SAE信号及びSAEB信号を示す波形図である。FIG. 3 is an operation waveform of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment, in particular, a waveform diagram showing an SAE signal and an SAEB signal. 第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路の動作波形を示す波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram showing operation waveforms of a current latch type sense amplifier circuit according to a second embodiment. 第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路の動作波形であって、特に、SAE信号及びSAEB信号を示す波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram showing an operation waveform of the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment, particularly showing an SAE signal and an SAEB signal. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間及びセンシング動作時間を示す表である。It is a table | surface which shows the precharge operation time and sensing operation time of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。10 is a histogram showing variations in precharge operation time of a cross-coupled sense amplifier circuit according to the prior art. 第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。6 is a histogram showing variations in precharge operation time of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment. 従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。5 is a histogram showing variations in precharge operation time of a current latch type sense amplifier circuit according to the prior art. 第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。10 is a histogram showing variations in precharge operation time of the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の平均値及び最大値を含むプロセスバラツキ依存性を示す表である。It is a table | surface which shows the process variation dependence containing the average value and the maximum value of the precharge operation time of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路の平均消費電流を示す表である。It is a table | surface which shows the average current consumption of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のPD積を示す表である。It is a table | surface which shows PD product of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の電源電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the power supply voltage dependence of the precharge operation time of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の電源電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the power supply voltage dependence of the precharge operation time of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路の消費電力の電源電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the power supply voltage dependence of the power consumption of the sense amplifier circuit which concerns on a prior art and each embodiment. 図31の拡大図である。FIG. 32 is an enlarged view of FIG. 31.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

上述のように、プリチャージ動作が低速であると、再び増幅動作が可能になるまでに時間がかかるという問題点があった。従って、プリチャージ動作を高速化することは、SRAM回路のデータ読み出し動作の高速化につながる。そこで、本発明に係る実施形態では、2個のCMOSインバータをクロスカップルで接続してなるラッチ回路を備えたセンスアンプ回路において、基板バイアス制御を用いたセンスアンプ回路を提案する。実施形態に係るセンスアンプ回路では、プリチャージ動作時にプリチャージを担うMOSFETの基板電位を制御することによって、プリチャージ動作時間を向上させることを特徴としている。   As described above, when the precharge operation is slow, there is a problem that it takes time before the amplification operation can be performed again. Therefore, speeding up the precharge operation leads to speeding up of the data read operation of the SRAM circuit. Therefore, in the embodiment according to the present invention, a sense amplifier circuit using substrate bias control is proposed in a sense amplifier circuit including a latch circuit formed by connecting two CMOS inverters in a cross couple. The sense amplifier circuit according to the embodiment is characterized in that the precharge operation time is improved by controlling the substrate potential of the MOSFET responsible for precharge during the precharge operation.

まず、MOSFETの基板バイアス効果を用いたプリチャージ動作高速化手法とその問題点について以下に説明する。   First, the precharge operation speed-up method using the substrate bias effect of the MOSFET and its problems will be described below.

センスアンプ回路によってSRAMセルのデータを増幅しデータ読み出しを行う際、アプリケーションにより要求されるタイミング以内に、センシングからプリチャージまでの一連の動作を終了させる必要がある。要求されるタイミング以内にプリチャージが終了しない場合、次のセンシング動作が正常に行われない。   When the data of the SRAM cell is amplified and read by the sense amplifier circuit, it is necessary to finish a series of operations from sensing to precharge within the timing required by the application. If the precharge is not completed within the required timing, the next sensing operation is not performed normally.

クロスカップル型センスアンプ回路では、出力ノード電位がビット線の電位に等しい状態において、センシング動作を開始する必要がある。しかし、センシング動作がプリチャージ動作完了前に行われると、出力ノードに生じる電位差は通常よりも小さくなる。この微小な電位を増幅するためには、より多くのセンシング動作時間を要する。また、カレントラッチ型センサアンプ回路では、センシング動作が開始する前に出力ノード電位を電源電圧VDDに充電する必要がある。しかし、プリチャージ動作が完了する前にセンシング動作を開始すると、カレントラッチ型センサアンプ回路ではセンシング動作が正常に行われない可能性がある。 In the cross-coupled sense amplifier circuit, it is necessary to start the sensing operation in a state where the output node potential is equal to the bit line potential. However, if the sensing operation is performed before the precharge operation is completed, the potential difference generated at the output node becomes smaller than usual. In order to amplify this minute potential, more sensing operation time is required. In the current latch type sensor amplifier circuit, the output node potential needs to be charged to the power supply voltage V DD before the sensing operation starts. However, if the sensing operation is started before the precharge operation is completed, the sensing operation may not be performed normally in the current latch type sensor amplifier circuit.

このように、センスアンプ回路の動作安定性は、プリチャージ動作速度によって左右される。従って、SRAM回路の読み出し動作安定性を改善するためには、センスアンプ回路のプリチャージ動作速度の高速化が不可欠である。プリチャージ動作を高速化するためには、プリチャージ動作を担うMOSFETの駆動力を増加させる必要がある。MOSFETの駆動力を増加させる方法として、電圧VGS,VDSを増加させる、もしくは、しきい値電圧を減少させるといった方法がある。プリチャージを担うMOSFETは、pMOSFETであるため、電圧VGS,VDSを増加させるためには、ソース電位を高くする必要がある。従って、電源電圧を高くする必要があり、サブスレッショルド領域動作には適さない。そこで、しきい値電圧を減少させる方法として、MOSFETの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を制御する手法がある。プリチャージ動作を担うMOSFETのしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することが可能である。 Thus, the operational stability of the sense amplifier circuit depends on the precharge operation speed. Therefore, in order to improve the read operation stability of the SRAM circuit, it is essential to increase the precharge operation speed of the sense amplifier circuit. In order to speed up the precharge operation, it is necessary to increase the driving force of the MOSFET responsible for the precharge operation. As a method for increasing the driving force of the MOSFET, there are methods such as increasing the voltages V GS and V DS or decreasing the threshold voltage. Since the MOSFET responsible for precharging is a pMOSFET, it is necessary to increase the source potential in order to increase the voltages V GS and V DS . Therefore, it is necessary to increase the power supply voltage, which is not suitable for subthreshold region operation. Therefore, as a method of reducing the threshold voltage, there is a method of controlling the threshold voltage using the substrate bias effect of the MOSFET. By reducing the threshold voltage of the MOSFET responsible for the precharge operation, the precharge operation can be speeded up.

MOSFETの基板−ソース間電圧VBSをΔVBSだけ変化させたときのしきい値電圧VTHの変化量ΔVTHは次式で表される。 A change amount ΔV TH of the threshold voltage V TH when the MOSFET substrate-source voltage V BS is changed by ΔV BS is expressed by the following equation.

Figure 2012174318
Figure 2012174318

ここで、εsiはシリコンの誘電率、qは電気素量、Nはアクセプタ濃度、ψはフェルミポテンシャルと真性ポテンシャルの差である。式(1)より、基板−ソース間電圧VBSを制御することによって、しきい値電圧を制御することが可能である。しきい値電圧を低下させるためには、基板−ソース間に負の電圧を印加すればよい。このときのバイアス方法を順方向バイアスという。 Here, ε si is the dielectric constant of silicon, q is the elementary charge, N a is the acceptor concentration, and ψ B is the difference between the Fermi potential and the intrinsic potential. From equation (1), a substrate - by controlling the voltage V BS-source, it is possible to control the threshold voltage. In order to reduce the threshold voltage, a negative voltage may be applied between the substrate and the source. This bias method is called forward bias.

図11は本発明の基本実施形態に係る動的基板バイアスを用いたクロスカップル型センスアンプの構成を示す回路図であり、図12は本発明の基本実施形態に係る動的基板バイアスを用いたカレントラッチ型センスアンプの構成を示す回路図である。これらの回路では、出力ノードをプリチャージするpMOSFET(P3,P4)の基板電位VBODYを制御することでしきい値電圧を低下させ、プリチャージ動作を高速化することができる。なお、図11及び図12において、pMOSFET(P3,P4)の基板端子をそれぞれP3B,P4Bとしている。 FIG. 11 is a circuit diagram showing the configuration of a cross-coupled sense amplifier using a dynamic substrate bias according to the basic embodiment of the present invention, and FIG. 12 uses the dynamic substrate bias according to the basic embodiment of the present invention. It is a circuit diagram showing a configuration of a current latch type sense amplifier. In these circuits, the threshold voltage can be lowered by controlling the substrate potential V BODY of the pMOSFETs (P3, P4) that precharge the output node, and the precharge operation can be speeded up. 11 and 12, the substrate terminals of the pMOSFETs (P3, P4) are P3B and P4B, respectively.

次いで、基板バイアス効果を用いた際の問題点について以下に説明する。順方向バイアス電圧を基板−ソース間に印加すると、基板リーク電流が発生する。   Next, problems when the substrate bias effect is used will be described below. When a forward bias voltage is applied between the substrate and the source, a substrate leakage current is generated.

図13は順方向バイアス時におけるpMOSFETの断面図である。図13から明らかなように、pMOSFETの基板−ソース間に負の電圧を印加したとき、MOSFET内のpn接合部が順方向にバイアスされる。このとき、pn接合部はダイオード素子として動作する。pn接合部がダイオード素子として動作した結果、ソース端子から基板に対して基板リーク電流が流れる。基板リーク電流Isubは次式で表される。 FIG. 13 is a cross-sectional view of the pMOSFET during forward bias. As is apparent from FIG. 13, when a negative voltage is applied between the substrate and the source of the pMOSFET, the pn junction in the MOSFET is forward-biased. At this time, the pn junction operates as a diode element. As a result of the pn junction operating as a diode element, a substrate leakage current flows from the source terminal to the substrate. The substrate leakage current I sub is expressed by the following equation.

Figure 2012174318
Figure 2012174318

ここで、A、Bはイオン化定数、VDsatはMOSFETの飽和電圧、tOXは酸化膜の厚さ、εOXは酸化膜の誘電率、Xは接合深さである。MOSFETの飽和電圧VDsatは次式で表される。 Here, A i and B i are ionization constants, V Dsat is the saturation voltage of the MOSFET, t OX is the thickness of the oxide film, ε OX is the dielectric constant of the oxide film, and X j is the junction depth. The saturation voltage V Dsat of the MOSFET is expressed by the following equation.

Figure 2012174318
Figure 2012174318

基板−ソース間電圧VBSが増加することにより、しきい値電圧VTHは減少し、ドレイン電流Iは増加する。さらに、基板−ソース間電圧VBSが増加することでと、基板リーク電流Isubは指数関数的に増加する。従って、基板バイアス制御を用いることによって、センスアンプ回路のプリチャージ動作を高速化することができるが、同時に基板リーク電流の上昇を招くため消費電力が増加する。 Substrate - by the source voltage V BS increases, the threshold voltage V TH decreases, the drain current I D increases. Further, as the substrate-source voltage V BS increases, the substrate leakage current I sub increases exponentially. Therefore, by using the substrate bias control, the precharge operation of the sense amplifier circuit can be speeded up, but at the same time, the substrate leakage current is increased and the power consumption is increased.

以上の問題点を解決するための実施形態に係るセンスアンプ回路、すなわち、消費電力を増加させることなく、プリチャージ動作を高速化させたセンスアンプ回路について以下に説明する。   A sense amplifier circuit according to an embodiment for solving the above problems, that is, a sense amplifier circuit that speeds up the precharge operation without increasing power consumption will be described below.

図14は本実施形態において基板リーク電流を出力容量の充電に利用する回路の構成を示す回路図である。図14において、出力ノードのプリチャージを担うトランジスタP3の基板端子には、CMOSインバータ11(N1,P1)の出力ノードが接続されている。また、CMOSインバータ11のnMOSFET(N1)のソース端子は、pMOSFET(P3)のドレイン端子に接続されている。また、CMOSインバータ11の入力端子にはSAE信号の反転信号であるSAEB信号が入力されている。   FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a circuit that utilizes the substrate leakage current for charging the output capacitance in the present embodiment. In FIG. 14, the output node of the CMOS inverter 11 (N1, P1) is connected to the substrate terminal of the transistor P3 responsible for precharging the output node. The source terminal of the nMOSFET (N1) of the CMOS inverter 11 is connected to the drain terminal of the pMOSFET (P3). Further, an SAEB signal that is an inverted signal of the SAE signal is input to the input terminal of the CMOS inverter 11.

センスアンプ回路のセンシング動作時、SAE信号はハイレベルである、従って、CMOSインバータ11にはローレベル信号が入力される。このとき、CMOSインバータ11を構成するpMOSFET(P1)が導通する。その結果、pMOSFET(P3)の基板電位は電源電圧VDDとなる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは0Vであるため、しきい値電圧VTHの値に変化はない。一方、センスアンプ回路のプリチャージ動作時、SAE信号としてローレベル信号が入力される。このとき、CMOSインバータ11を構成するnMOSFET(N1)が導通する。その結果、pMOSFET(P3)の基板電位はソース端子と同電位となる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは負であるため、pMOSFET(P3)のしきい値電圧の値が低下する。しきい値電圧VTHが低下することによって、出力ノードのプリチャージが行われる。 During the sensing operation of the sense amplifier circuit, the SAE signal is at a high level. Therefore, a low level signal is input to the CMOS inverter 11. At this time, the pMOSFET (P1) constituting the CMOS inverter 11 becomes conductive. As a result, the substrate potential of the pMOSFET (P3) becomes the power supply voltage V DD . In this state, since the substrate-source voltage VBS is 0 V, the value of the threshold voltage VTH does not change. On the other hand, during the precharge operation of the sense amplifier circuit, a low level signal is input as the SAE signal. At this time, the nMOSFET (N1) constituting the CMOS inverter 11 becomes conductive. As a result, the substrate potential of the pMOSFET (P3) is the same as that of the source terminal. In this state, the substrate - since the voltage V BS-source is negative, the value of the threshold voltage of the pMOSFET (P3) is decreased. As the threshold voltage V TH decreases, the output node is precharged.

図14において、矢印は、プリチャージ時に流れる電流を示している。センスアンプ回路による出力容量のプリチャージ動作は、pMOSFET(P3)のドレイン電流Idp3によって行われる。本実施形態に係る回路では、基板バイアス効果を用いているため、pMOSFET(P3)の基板(基板端子P3B)から基板リーク電流Ileakが流れる。この基板リーク電流Ileakを、nMOSFET(N1)を介して出力ノードの充電に利用しているため、基板リーク電流Ileakによる消費電流の増加を抑えることが可能である。 In FIG. 14, an arrow indicates a current that flows during precharging. The precharge operation of the output capacitance by the sense amplifier circuit is performed by the drain current Idp3 of the pMOSFET (P3). In the circuit according to the present embodiment, since the substrate bias effect is used, the substrate leakage current I leak flows from the substrate (substrate terminal P3B) of the pMOSFET (P3). Since the substrate leakage current I leak is used for charging the output node via the nMOSFET (N1), an increase in consumption current due to the substrate leakage current I leak can be suppressed.

次いで、動的基板バイアス制御を用いたセンスアンプ回路、すなわち、消費電力を増加させることなく、プリチャージ動作を高速化させたセンスアンプ回路について以下に説明する。当該回路では、MOSFETの基板バイアス制御を用いながらも、基板リーク電流Ileakによって消費電力が増加することがないことを特徴としている。 Next, a sense amplifier circuit using dynamic substrate bias control, that is, a sense amplifier circuit that speeds up the precharge operation without increasing power consumption will be described below. The circuit is characterized in that the power consumption is not increased by the substrate leakage current I leak while using the substrate bias control of the MOSFET.

図15は本発明の第1の実施形態に係る動的基板バイアスを用いたクロスカップル型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。図15において、第1の実施形態に係るセンスアンプ回路は、従来技術に係る図8のセンスアンプ回路に比較してCMOSインバータ13,14をさらに備えたことを特徴としている。ここで、ビット線のプリチャージを担うpMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bにはそれぞれ、CMOSインバータ13,14(N11,N12,P11,P12)の各出力ノードが接続されている。また、CMOSインバータのnMOSFET(N11,N12)の各ソース端子はそれぞれpMOSFET(P1,P2)の各ドレイン端子に接続されている。CMOSインバータ13,14の入力端子にSAE信号の反転信号SAEB(以下、SAEB信号ともいう。)が入力される。   FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a cross-coupled sense amplifier circuit using a dynamic substrate bias according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 15, the sense amplifier circuit according to the first embodiment is characterized by further comprising CMOS inverters 13 and 14 as compared with the sense amplifier circuit of FIG. 8 according to the prior art. Here, the output nodes of the CMOS inverters 13 and 14 (N11, N12, P11, P12) are connected to the substrate terminals P3B and P4B of the pMOSFETs (P3 and P4) that are responsible for precharging the bit lines, respectively. The source terminals of the nMOSFETs (N11, N12) of the CMOS inverter are connected to the drain terminals of the pMOSFETs (P1, P2), respectively. An inverted signal SAEB (hereinafter also referred to as SAEB signal) of the SAE signal is input to the input terminals of the CMOS inverters 13 and 14.

SAE信号としてハイレベル信号が入力されているとき、CMOSインバータ13,14を構成するpMOSFET(P11,P12)が導通する。その結果、pMOSFET(P3,P4)の基板電位は電源電圧VDDとなる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは0Vであるため、しきい値電圧VTHの値に変化はない。 When a high level signal is input as the SAE signal, the pMOSFETs (P11 and P12) constituting the CMOS inverters 13 and 14 are turned on. As a result, the substrate potential of the pMOSFETs (P3, P4) becomes the power supply voltage V DD . In this state, since the substrate-source voltage VBS is 0 V, the value of the threshold voltage VTH does not change.

一方、SAE信号にローレベル信号が入力されているとき、CMOSインバータ13,14を構成するnMOSFET(N11,N12)が導通する。その結果、pMOSFET(P3,P4)の基板電位はソース端子と同電位となる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは負の電圧であるため、pMOSFET(P3,P4)のしきい値電圧VTHの値が低下する。しきい値電圧VTHが低下することによって、図15のクロスカップル型センスアンプ回路はプリチャージ動作が高速化される。SAE信号としてローレベル信号が入力され、nMOSFET(N11,N12)が導通している状態において、基板電位はプリチャージされる出力ノードVOUT,VOUTBの電位と等しくなる。プリチャージ動作が進行すると各nMOSFET(N11,N12)のゲート−ソース間電圧が低下する。各nMOSFET(N11,N12)のゲート−ソース間電圧が低下することによって、nMOSFET(N11,N12)は非導通状態となる。nMOSFET(N11,N12)が非導通状態となることによって、プリチャージ動作を担うpMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bがフローティング状態となる。この効果によって、pMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bに対する順方向バイアスを維持した状態でプリチャージ動作を行うことができる。 On the other hand, when a low level signal is input to the SAE signal, the nMOSFETs (N11 and N12) constituting the CMOS inverters 13 and 14 are turned on. As a result, the substrate potential of the pMOSFETs (P3, P4) is the same as that of the source terminal. In this state, the substrate - since the voltage V BS-source is a negative voltage, the value of the threshold voltage V TH of the pMOSFET (P3, P4) is reduced. As the threshold voltage V TH decreases, the precharge operation of the cross-coupled sense amplifier circuit of FIG. 15 is accelerated. When a low level signal is input as the SAE signal and the nMOSFETs (N11, N12) are conductive, the substrate potential becomes equal to the potentials of the output nodes V OUT , V OUTB to be precharged. As the precharge operation proceeds, the gate-source voltage of each nMOSFET (N11, N12) decreases. As the gate-source voltage of each nMOSFET (N11, N12) decreases, the nMOSFET (N11, N12) becomes non-conductive. When the nMOSFETs (N11, N12) are turned off, the substrate terminals P3B, P4B of the pMOSFETs (P3, P4) responsible for the precharge operation are in a floating state. With this effect, the precharge operation can be performed in a state where the forward bias with respect to the substrate terminals P3B and P4B of the pMOSFETs (P3 and P4) is maintained.

以上説明したように、本実施形態によれば、プリチャージ動作速度の向上が実現できる。動的基板バイアス制御を用いたクロスカップル型センスアンプ回路は、ビット線から基板リーク電流が流れ、出力容量の充電に用いられる。それによりビット線の電位が下がり、出力容量の充電が遅くなる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the precharge operation speed. In a cross-coupled sense amplifier circuit using dynamic substrate bias control, a substrate leakage current flows from a bit line and is used for charging an output capacitance. As a result, the potential of the bit line is lowered, and charging of the output capacitor is delayed.

図16は本発明の第2の実施形態に係る動的基板バイアスを用いたカレントラッチ型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。図16において、第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は、従来技術に係る図9のセンスアンプ回路に比較してCMOSインバータ13,14をさらに備えたことを特徴としている。ここで、図15と同様に、プリチャージを担うpMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bにはそれぞれ、CMOSインバータ13,14(N11,N12,P11,P12)の各出力ノードが接続されている。また、CMOSインバータ13,14の各nMOSFET(N11,N12)のソース端子はそれぞれpMOSFET(P3,P4)の各ドレイン端子に接続されている。CMOSインバータ13,14の入力端子にSAE信号の反転信号SAEBが入力されている。   FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a current latch type sense amplifier circuit using a dynamic substrate bias according to the second embodiment of the present invention. 16, the sense amplifier circuit according to the second embodiment is characterized by further including CMOS inverters 13 and 14 as compared with the sense amplifier circuit of FIG. 9 according to the prior art. Here, as in FIG. 15, the output nodes of the CMOS inverters 13 and 14 (N11, N12, P11, P12) are connected to the substrate terminals P3B and P4B of the pMOSFETs (P3 and P4) responsible for precharging, respectively. ing. The source terminals of the nMOSFETs (N11, N12) of the CMOS inverters 13, 14 are connected to the drain terminals of the pMOSFETs (P3, P4), respectively. An inverted signal SAEB of the SAE signal is input to the input terminals of the CMOS inverters 13 and 14.

SAE信号としてハイレベル信号が入力されているとき、CMOSインバータ13,14を構成するpMOSFET(P11,P12)が導通する。その結果、pMOSFET(P3,P4)の基板電位は電源電圧VDDとなる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは0Vであるため、しきい値電圧VTHの値に変化はない。一方、SAE信号としてローレベル信号が入力されているとき、CMOSインバータ13,14を構成するnMOSFET(N11,N12)が導通する。その結果、pMOSFET(P3,P4)の基板電位はソース端子と同電位となる。この状態において、基板−ソース間電圧VBSは負の電圧であるため、pMOSFET(P3,P4)のしきい値電圧VTHの値が低下する。しきい値電圧VTHが低下することによって、図16のカレントラッチ型センスアンプ回路はプリチャージ動作が高速化される。SAE信号としてローレベル信号が入力され、nMOSFET(N11,N12)が導通している状態において、基板電位はプリチャージされる出力ノードVOUT,VOUTBの電位と等しくなる。プリチャージ動作が進行するとnMOSFET(N11,N12)のゲート−ソース間電圧が低下する。nMOSFET(N11,N12)のゲート−ソース間電圧が低下することによって、nMOSFET(N11,N12)は非導通状態となる。nMOSFET(N11,N12)が非導通状態となることによって、プリチャージ動作を担うpMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bがフローティング状態となる。この効果によって、pMOSFET(P3,P4)の基板端子P3B,P4Bに対する順方向バイアスを維持した状態でプリチャージ動作を行うことができる。 When a high level signal is input as the SAE signal, the pMOSFETs (P11 and P12) constituting the CMOS inverters 13 and 14 are turned on. As a result, the substrate potential of the pMOSFETs (P3, P4) becomes the power supply voltage V DD . In this state, since the substrate-source voltage VBS is 0 V, the value of the threshold voltage VTH does not change. On the other hand, when a low level signal is input as the SAE signal, the nMOSFETs (N11, N12) constituting the CMOS inverters 13, 14 are turned on. As a result, the substrate potential of the pMOSFETs (P3, P4) is the same as that of the source terminal. In this state, the substrate - since the voltage V BS-source is a negative voltage, the value of the threshold voltage V TH of the pMOSFET (P3, P4) is reduced. As the threshold voltage V TH decreases, the precharge operation of the current latch type sense amplifier circuit of FIG. 16 is speeded up. When a low level signal is input as the SAE signal and the nMOSFETs (N11, N12) are conductive, the substrate potential becomes equal to the potentials of the output nodes V OUT , V OUTB to be precharged. As the precharge operation proceeds, the gate-source voltage of the nMOSFETs (N11, N12) decreases. As the gate-source voltage of the nMOSFET (N11, N12) decreases, the nMOSFET (N11, N12) becomes non-conductive. When the nMOSFETs (N11, N12) are turned off, the substrate terminals P3B, P4B of the pMOSFETs (P3, P4) responsible for the precharge operation are in a floating state. With this effect, the precharge operation can be performed in a state where the forward bias with respect to the substrate terminals P3B and P4B of the pMOSFETs (P3 and P4) is maintained.

以上説明したように、本実施形態によれば、プリチャージ動作速度の向上が実現できる。動的基板バイアス制御を用いたカレントラッチ型センスアンプ回路は、動的基板バイアス制御を用いたクロスカップル型センスアンプ回路と異なり、基板リーク電流は電源から流れ、出力容量の充電に用いられる。従って、プリチャージ動作時間に悪影響はない。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the precharge operation speed. Unlike a cross-coupled sense amplifier circuit using dynamic substrate bias control, a current latch type sense amplifier circuit using dynamic substrate bias control flows from a power supply and is used to charge an output capacitance. Therefore, there is no adverse effect on the precharge operation time.

従来技術に係るセンスアンプ回路において基板バイアス効果を適用すると、基板リーク電流により消費電力が増加する。しかし、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路では、CMOSインバータを構成するnMOSFETを通じて基板リーク電流を出力ノードの充電に利用しているため、基板リーク電流による消費電流の増加を抑えることが可能である。   When the substrate bias effect is applied to the sense amplifier circuit according to the prior art, the power consumption increases due to the substrate leakage current. However, in the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments, since the substrate leakage current is used for charging the output node through the nMOSFET constituting the CMOS inverter, an increase in consumption current due to the substrate leakage current is suppressed. Is possible.

さらに、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路の動作特性をSPICEシミュレーションによって評価した。評価回路は以下の4つのセンスアンプ回路に加えて、
(a)従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路(図8)、
(b)従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路(図9)、
(c)第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路(図15)
(d)第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路(図16)
基板リーク電流を出力容量の充電に利用することによる消費電流削減の効果を確認するため、図17及び図18に示す基板リーク電流を再利用しないクロスカップル型センスアンプ回路(第3の実施形態)及びカレントラッチ型センスアンプ回路(第4の実施形態)についてもシミュレーションを行った。
Furthermore, the operating characteristics of the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments were evaluated by SPICE simulation. In addition to the following four sense amplifier circuits, the evaluation circuit
(A) A cross-coupled sense amplifier circuit according to the prior art (FIG. 8),
(B) a current latch type sense amplifier circuit according to the prior art (FIG. 9);
(C) Cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment (FIG. 15)
(D) Current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment (FIG. 16)
A cross-coupled sense amplifier circuit that does not reuse the substrate leakage current shown in FIGS. 17 and 18 in order to confirm the effect of reducing the consumption current by using the substrate leakage current for charging the output capacitance (third embodiment). The simulation was also performed for the current latch type sense amplifier circuit (fourth embodiment).

図17は本発明の第3の実施形態に係る基板リーク電流を再利用しないクロスカップル型センスアンプ回路の構成を示す回路図であり、図18は本発明の第4の実施形態に係る基板リーク電流を再利用しないカレントラッチ型センスアンプ回路の構成を示す回路図である。図17の第3の実施形態に係るセンスアンプ回路は、図15のセンスアンプ回路に比較して、CMOSインバータ13,14のnMOSFET(N11,N12)の各ソース端子をそのまま接地したことを特徴としている。また、図18の第4の実施形態に係るセンスアンプ回路は、図16のセンスアンプ回路に比較して、CMOSインバータ13,14のnMOSFET(N11,N12)の各ソース端子をそのまま接地したことを特徴としている。これらの第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路では、消費電流の軽減は少ないものの、プリチャージを高速化できることを特徴としている。   FIG. 17 is a circuit diagram showing the configuration of a cross-coupled sense amplifier circuit that does not reuse the substrate leakage current according to the third embodiment of the present invention. FIG. 18 shows the substrate leakage according to the fourth embodiment of the present invention. It is a circuit diagram showing a configuration of a current latch type sense amplifier circuit that does not reuse current. The sense amplifier circuit according to the third embodiment of FIG. 17 is characterized in that the source terminals of the nMOSFETs (N11, N12) of the CMOS inverters 13 and 14 are grounded as they are, as compared with the sense amplifier circuit of FIG. Yes. Further, in the sense amplifier circuit according to the fourth embodiment of FIG. 18, the source terminals of the nMOSFETs (N11, N12) of the CMOS inverters 13 and 14 are grounded as they are, as compared with the sense amplifier circuit of FIG. It is a feature. The sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments are characterized in that the precharge can be speeded up, although the consumption current is less reduced.

シミュレーションに用いた試作センスアンプ回路の使用プロセスは0.35μmの標準CMOSプロセスである。また、電源電圧VDDは0.5V、ビット線容量は150fFとした。素子サイズは第1〜第4の実施形態に係るセンスアンプ回路のnMOSFET(N11,N12)のみ(ゲート幅W,ゲート長L)=(0.4μm,5μm)とし、その他のMOSFETはすべて(ゲート幅W,ゲート長L)=(5μm,5μm)とした。 The process for using the prototype sense amplifier circuit used for the simulation is a standard CMOS process of 0.35 μm. The power supply voltage V DD was 0.5 V, and the bit line capacitance was 150 fF. The element size is only the nMOSFETs (N11, N12) of the sense amplifier circuits according to the first to fourth embodiments (gate width W, gate length L) = (0.4 μm, 5 μm), and all other MOSFETs are (gates). Width W, gate length L) = (5 μm, 5 μm).

図19Aは第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路の動作波形を示す波形図であり、図19BはそのSAE信号及びSAEB信号を示す波形図である。また、図20Aは第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路の動作波形を示す波形図であり、図20BはそのSAE信号及びSAEB信号を示す波形図である。なお、ビット線の放電動作は、実デバイスを模擬するために、6トランジスタ型SRAMセルを接続して評価した。   FIG. 19A is a waveform diagram showing operation waveforms of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment, and FIG. 19B is a waveform diagram showing its SAE signal and SAEB signal. FIG. 20A is a waveform diagram showing operation waveforms of the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment, and FIG. 20B is a waveform diagram showing the SAE signal and the SAEB signal. The discharge operation of the bit line was evaluated by connecting a 6-transistor type SRAM cell in order to simulate an actual device.

図19A、図19B、図20A及び図20Bから明らかなように、SAE信号としてローレベル信号が入力されると基板電位は電源電圧VDDから0Vに変化する。このことから、プリチャージ動作用pMOSFET(P3,P4)に順方向バイアスが印加されていることが確認できる。また、センスアンプ回路の出力ノードVOUT,VOUTBが充電されると、基板電位が0.25V付近で安定化することが確認できる。これは、pMOSFET(P3,P4)の基板がフローティング状態となるためである。上述したように、SAEB信号としてハイレベル信号となると、基板電位は再び電源電圧VDDとなる。従って、次のセンシング動作時にはプリチャージを担うpMOSFET(P3,P4)に基板バイアスは印加されておらず、センシング動作に影響はない。 As is clear from FIGS. 19A, 19B, 20A, and 20B, when a low level signal is input as the SAE signal, the substrate potential changes from the power supply voltage V DD to 0V. From this, it can be confirmed that a forward bias is applied to the pMOSFETs (P3, P4) for precharge operation. Further, it can be confirmed that the substrate potential is stabilized around 0.25 V when the output nodes V OUT and V OUTB of the sense amplifier circuit are charged. This is because the substrate of the pMOSFET (P3, P4) is in a floating state. As described above, when the high level signal is obtained as the SAEB signal, the substrate potential becomes the power supply voltage V DD again. Therefore, the substrate bias is not applied to the pMOSFETs (P3 and P4) that perform precharging during the next sensing operation, and the sensing operation is not affected.

図21は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間及びセンシング動作時間を示す表である。なお、センシング動作時間はSAE信号が電源電圧VDDの10%に増加したときから、センスアンプ回路の出力ノード電位が電源電圧VDDの10%に減少するまでの時間とした。また、プリチャージ動作時間は、SAE信号が電源電圧VDDの90%に減少したときから、センスアンプ回路の出力ノード電位が電源電圧VDDの90%に増加するまでの時間とした。後段の負荷として、センスアンプ回路の出力ノードにはCMOSインバータを1つ接続した。 FIG. 21 is a table showing the precharge operation time and the sensing operation time of the sense amplifier circuit according to the related art and each embodiment. The sensing operation time is the time from when the SAE signal increases to 10% of the power supply voltage V DD to when the output node potential of the sense amplifier circuit decreases to 10% of the power supply voltage V DD . The precharge operation time is the time from when the SAE signal decreases to 90% of the power supply voltage V DD to when the output node potential of the sense amplifier circuit increases to 90% of the power supply voltage V DD . As a subsequent load, one CMOS inverter was connected to the output node of the sense amplifier circuit.

第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路と、従来技術に係るセンスアンプ回路で、センシングの動作時間には有意な差が見られなかった。これは、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路がプリチャージの動作時間のみを改善する手法であるためである。第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路と、基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路では、動的基板バイアス制御を適用することにより、プリチャージ動作時に、トランジスタのしきい値電圧が低下する。その結果、センスアンプのプリチャージ動作時間が削減された。動的基板バイアス制御を適用することにより、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて動作時間を、クロスカップル型センスアンプ回路では79.9%、カレントラッチ型センスアンプ回路では86.9%削減することができた。また、基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路は従来技術に係るセンスアンプ回路に比べてプリチャージ動作時間をそれぞれ82.9%、90.4%削減した。   There was no significant difference in sensing operation time between the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments and the sense amplifier circuit according to the related art. This is because the sense amplifier circuit according to the first and second embodiments is a method for improving only the precharge operation time. In the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments and the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current, precharging is performed by applying dynamic substrate bias control. During operation, the threshold voltage of the transistor decreases. As a result, the precharge operation time of the sense amplifier is reduced. By applying the dynamic substrate bias control, the sense amplifier circuit according to the first and second embodiments has a longer operation time than the sense amplifier circuit according to the related art, and the cross-coupled sense amplifier circuit has 79.9%. In the current latch type sense amplifier circuit, the reduction was 86.9%. In addition, the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current reduce the precharge operation time by 82.9% and 90.4%, respectively, as compared with the sense amplifier circuit according to the related art. .

クロスカップル型センスアンプ回路における動作時間削減率は、カレントラッチ型センスアンプ回路における動作時間削減率より小さい。これは2つのセンスアンプ回路において、プリチャージ動作に必要な電荷の供給方法が異なることに起因する。カレントラッチ型センスアンプ回路では、出力ノードのプリチャージ動作に必要な電荷を電源が供給する。一方、クロスカップル型センスアンプ回路では、出力ノードのプリチャージ動作に必要な電荷をビット線が供給する。そのため、基板端子から出力ノードに基板リーク電流が発生することによって、ビット線電位が低下する。このビット線電位の低下によって、プリチャージ動作時間が増加する。   The operating time reduction rate in the cross-coupled sense amplifier circuit is smaller than the operating time reduction rate in the current latch type sense amplifier circuit. This is due to the difference in the supply method of the charge necessary for the precharge operation in the two sense amplifier circuits. In the current latch type sense amplifier circuit, the power supply supplies the charge necessary for the precharge operation of the output node. On the other hand, in the cross-coupled sense amplifier circuit, the bit line supplies charges necessary for the precharge operation of the output node. Therefore, a substrate leak current is generated from the substrate terminal to the output node, thereby lowering the bit line potential. As the bit line potential decreases, the precharge operation time increases.

また、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は、基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路に比べてプリチャージ動作時間の削減率が小さい。これは、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージを担うpMOSFETの基板電位が、0Vより高いため、基板−ソース間電圧VBSが基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路に比べて小さいためである。 Also, the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments have a smaller precharge operation time reduction rate than the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current. This substrate potential of the pMOSFET responsible for precharging the sense amplifier circuit according to the first and second embodiments, higher than 0V, the substrate - the third and source voltage V BS does not reuse the substrate leakage current This is because it is smaller than the sense amplifier circuit according to the fourth embodiment.

次いで、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路と、従来技術に係るセンスアンプ回路のプリチャージの動作時間のプロセスバラツキ依存性を評価するため、モンテカルロシミュレーションを250回行った。その際、ランダムバラツキ(ガウス分布:

Figure 2012174318
)とグローバルバラツキ(一様分布:0.1V<ΔVTH<0.1V)双方を考慮した。なお、SRAMセルにおける読み出し動作のプロセスバラツキ依存性を無視するため、ビット線の充電は理想電圧源によって行った。 Next, in order to evaluate the process variation dependency of the precharge operation time of the sense amplifier circuit according to the first and second embodiments and the sense amplifier circuit according to the related art, a Monte Carlo simulation was performed 250 times. At that time, random variation (Gaussian distribution:
Figure 2012174318
) And global variation (uniform distribution: 0.1 V <ΔV TH <0.1 V). In order to ignore the process variation dependency of the read operation in the SRAM cell, the bit line was charged by an ideal voltage source.

図22は従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムであり、図23は第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。また、図24は従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムであり、図25は第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路のプリチャージ動作時間のバラツキを示すヒストグラムである。図26は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の平均値及び最大値を含むプロセスバラツキ依存性を示す表である。図22〜図26から明らかなように、動的基板バイアス制御を適用することによって、プリチャージ動作時間の最大値が、クロスカップル型センスアンプ回路では86.9%、カレントラッチ型センスアンプ回路では85.6%削減された。   FIG. 22 is a histogram showing variations in precharge operation time of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the prior art, and FIG. 23 shows variations in precharge operation time of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment. It is a histogram to show. FIG. 24 is a histogram showing variations in the precharge operation time of the current latch type sense amplifier circuit according to the prior art. FIG. 25 shows the precharge operation time of the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment. It is a histogram which shows variation. FIG. 26 is a table showing the process variation dependency including the average value and the maximum value of the precharge operation time of the sense amplifier circuit according to the related art and each embodiment. As apparent from FIGS. 22 to 26, by applying the dynamic substrate bias control, the maximum value of the precharge operation time is 86.9% in the cross-coupled sense amplifier circuit and in the current latch type sense amplifier circuit. It was reduced by 85.6%.

次いで、プリチャージ動作時間の電源電圧依存性を評価するため、シミュレーション評価を行った。電源電圧VDDを0.5Vから1.0Vまで変化させたときの各センスアンプのプリチャージ動作時間を評価した。 Next, simulation evaluation was performed in order to evaluate the power supply voltage dependency of the precharge operation time. The precharge operation time of each sense amplifier when the power supply voltage V DD was changed from 0.5 V to 1.0 V was evaluated.

図29は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の電源電圧依存性を示すグラフであり、図30は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のプリチャージ動作時間の電源電圧依存性を示すグラフである。図29は電源電圧0.5Vから0.75V、図30は電源電圧0.75Vから1.0Vまで変化させたグラフである。   FIG. 29 is a graph showing the power supply voltage dependency of the precharge operation time of the sense amplifier circuit according to the conventional technology and each embodiment, and FIG. 30 is a graph showing the precharge operation time of the sense amplifier circuit according to the conventional technology and each embodiment. It is a graph which shows power supply voltage dependence. 29 is a graph in which the power supply voltage is changed from 0.5 V to 0.75 V, and FIG. 30 is a graph in which the power supply voltage is changed from 0.75 V to 1.0 V.

図29及び図30から明らかなように、電源電圧VDDの値に関わらず、従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路は従来技術に係るクロスカップル型センスアンプ回路よりプリチャージ動作時間が長い。しかし、電源電圧VDDが0.5Vから0.7Vの区間では、第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路は第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路よりプリチャージ動作時間が短い。これは、上述のように、出力ノードのプリチャージ動作に必要な電荷をビット線が供給するため、基板端子から出力ノードに基板リーク電流が発生することによって、ビット線電位が低下するためである。電源電圧VDDが0.7V以上の区間では、第1のクロスカップル型センスアンプ回路が第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路より高速となる。 As is apparent from FIGS. 29 and 30, the current latch type sense amplifier circuit according to the prior art has a longer precharge operation time than the cross couple type sense amplifier circuit according to the prior art, regardless of the value of the power supply voltage V DD . However, in the section where the power supply voltage V DD is 0.5 V to 0.7 V, the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment has a precharge operation time longer than the cross-couple type sense amplifier circuit according to the first embodiment. Is short. This is because, as described above, the bit line supplies the charge necessary for the precharge operation of the output node, so that the substrate leakage current is generated from the substrate terminal to the output node, thereby lowering the bit line potential. . In the section where the power supply voltage V DD is 0.7V or higher, the first cross-coupled sense amplifier circuit is faster than the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment.

上述のように、サブスレッショルド領域におけるMOSFETのドレイン電流は、ゲート−ソース間電圧に対し指数関数的に変化する。そのため、ビット線電位の低下によりプリチャージを担うpMOSFETの流すドレイン電流は急激に低下する。また、強反転領域におけるMOSFETのドレイン電流はゲート−ソース間電圧に対し指数関数的には変化しない。そのため、強反転領域では、ビット線電位の低下によるプリチャージを担うpMOSFETの流すドレイン電流の低下がサブスレッショルド領域より小さい。従って、サブスレッショルド領域ではプリチャージを担うpMOSFETのゲート−ソース間電圧が減少しない第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路が高速となり、強反転領域ではよりプリチャージ動作の高速なセンスアンプ回路であるクロスカップル型センスアンプ回路をベースとした第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路が高速となる。   As described above, the drain current of the MOSFET in the subthreshold region changes exponentially with respect to the gate-source voltage. For this reason, the drain current flowing through the pMOSFET responsible for precharging rapidly decreases due to the decrease in the bit line potential. Further, the drain current of the MOSFET in the strong inversion region does not change exponentially with respect to the gate-source voltage. Therefore, in the strong inversion region, the decrease in the drain current flowing through the pMOSFET responsible for precharging due to the decrease in the bit line potential is smaller than that in the subthreshold region. Therefore, the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment in which the voltage between the gate and the source of the pMOSFET responsible for precharging does not decrease in the subthreshold region becomes high speed, and the sense amplifier with high speed precharge operation in the strong inversion region. The cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment based on the cross-coupled sense amplifier circuit, which is a circuit, becomes faster.

次いで、各センスアンプ回路における消費電流を評価した。なお、ビット線の充電は理想電圧源によって行った。最も低速である従来技術に係るカレントラッチ型センスアンプ回路が十分動作できる速度として、プリチャージ動作300μsec、センシング動作50μsec、動作周波数2.85kHzでセンスアンプのセンシング動作及びプリチャージ動作を行い、その平均消費電流を評価した。   Next, the current consumption in each sense amplifier circuit was evaluated. The bit line was charged by an ideal voltage source. As the speed at which the current latch type sense amplifier circuit according to the prior art, which is the slowest, can operate sufficiently, the sensing operation and the precharging operation of the sense amplifier are performed at a precharge operation of 300 μsec, a sensing operation of 50 μsec, and an operating frequency of 2.85 kHz The current consumption was evaluated.

図27は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路の平均消費電流を示す表である。クロスカップル型センスアンプ回路及びカレントラッチ型センスアンプ回路は、インバータラッチ回路構造を有している。そのため、これらのセンスアンプ回路の動作時における消費電流はセンシング時とプリチャージ時に流れる貫通電流が主である。動的基板バイアス制御を適用することにより、基板電位を制御するためのCMOSインバータ13,14の貫通電流がSAE信号の切り替わりのタイミングで流れる。そのため、SAE信号の遷移時に貫通電流の流れる電流パスが増加する。しかし、個々の電流パスを流れる電流は、出力信号の遷移が早まることで減少する。その結果、第1の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路では6.06%だけ消費電流が減少し、第2の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路では1.55%だけ消費電流が増加した。   FIG. 27 is a table showing the average current consumption of the sense amplifier circuits according to the related art and each embodiment. The cross-couple type sense amplifier circuit and the current latch type sense amplifier circuit have an inverter latch circuit structure. Therefore, the current consumption during the operation of these sense amplifier circuits is mainly a through current that flows during sensing and precharging. By applying the dynamic substrate bias control, the through current of the CMOS inverters 13 and 14 for controlling the substrate potential flows at the timing of switching of the SAE signal. For this reason, the current path through which the through current flows during the transition of the SAE signal increases. However, the current flowing through each current path decreases as the output signal transitions earlier. As a result, the current consumption decreases by 6.06% in the cross-coupled sense amplifier circuit according to the first embodiment, and the current consumption decreases by 1.55% in the current latch type sense amplifier circuit according to the second embodiment. Increased.

また、基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路は、プリチャージ時に基板リーク電流が定常的に流れる。そのため、従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて、第3の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路は8.71倍、第4の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路は13.1倍に消費電流が増加した。第3の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路の消費電流増加率は、第4の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路と比べて低い。これは、第4の実施形態に係るカレントラッチ型センスアンプ回路はプリチャージ時に出力ノードVOUT,VOUTBが電源電圧VDDに充電されるのに対し、第3の実施形態に係るクロスカップル型センスアンプ回路は出力ノードVOUT,VOUTBのうち片方が電源電圧VDD、他方が電源電圧VDDより電圧ΔVだけ低い電位に充電されるためである。 In the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current, the substrate leakage current constantly flows during precharge. Therefore, the cross-coupled sense amplifier circuit according to the third embodiment is 8.71 times that of the sense amplifier circuit according to the prior art, and the current latch type sense amplifier circuit according to the fourth embodiment is 13.1 times as much. The current consumption increased. The current consumption increase rate of the cross-coupled sense amplifier circuit according to the third embodiment is lower than that of the current latch type sense amplifier circuit according to the fourth embodiment. This is because, in the current latch type sense amplifier circuit according to the fourth embodiment, the output nodes V OUT and V OUTB are charged to the power supply voltage V DD at the time of precharging, whereas the cross coupled type according to the third embodiment is used. This is because in the sense amplifier circuit, one of the output nodes V OUT and V OUTB is charged to a potential that is lower than the power supply voltage V DD and the other is lower than the power supply voltage V DD by a voltage ΔV.

次いで、電源電圧を0.5Vから1.0Vまで変化させ、消費電力の電源電圧依存性を評価した。シミュレーション条件は消費電流の比較時に同じである。図31は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路の消費電力の電源電圧依存性を示すグラフであり、図32は図31の拡大図である。   Next, the power supply voltage was changed from 0.5 V to 1.0 V, and the power supply voltage dependency of power consumption was evaluated. The simulation conditions are the same when comparing current consumption. FIG. 31 is a graph showing the power supply voltage dependency of the power consumption of the sense amplifier circuit according to the related art and each embodiment, and FIG. 32 is an enlarged view of FIG.

基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路では、プリチャージ動作時に定常的に流れるため、従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて消費電力が増加する。基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路は、従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて、クロスカップル型センスアンプ回路は最大87。2倍、カレントラッチ型センスアンプ回路は227倍に消費電力が増加した。第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は基板リーク電流を再利用することによりクロスカップル型センスアンプ回路及びカレントラッチ型センスアンプ回路ともに消費電力の増加を抑えることが可能である。第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は、従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて、クロスカップル型センスアンプ回路は最大7.41%、カレントラッチ型センスアンプ回路は最大8.24%第3及び第4の実施形態に係る消費電力が増加した。第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路では、基板リーク電流を再利用することによる消費電力の削減は電源電圧を高めても有効であることが確認できた。   Since the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current constantly flow during the precharge operation, the power consumption increases as compared with the sense amplifier circuit according to the related art. The sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current have a cross-couple type sense amplifier circuit that is up to 87.2 times the current latch type sense compared to the sense amplifier circuit according to the prior art. The power consumption of the amplifier circuit increased 227 times. The sense amplifier circuits according to the first and second embodiments can suppress an increase in power consumption in both the cross-coupled sense amplifier circuit and the current latch type sense amplifier circuit by reusing the substrate leakage current. The sense amplifier circuit according to the first and second embodiments has a maximum of 7.41% for the cross-coupled sense amplifier circuit and a maximum of 8.24 for the current latch type sense amplifier circuit as compared with the sense amplifier circuit according to the related art. The power consumption according to the third and fourth embodiments has increased. In the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments, it has been confirmed that the reduction in power consumption by reusing the substrate leakage current is effective even when the power supply voltage is increased.

さらに、従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路について、PD積の比較のシミュレーションを行った。PD積とは、電力(Power)と遅延時間(Delay)の積である。PD積は、回路の動作エネルギーを表す値である。図28は従来技術及び各実施形態に係るセンスアンプ回路のPD積を示す表である。図28から明らかなように、プリチャージ動作時間が改善された結果、第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路は従来技術に係るセンスアンプ回路に比べて、クロスカップル型センスアンプ回路では74.3%、カレントラッチ型センスアンプ回路では77.3%、PD積を削減した。基板リーク電流を再利用しない第3及び第4の実施形態に係るセンスアンプ回路は、プリチャージ動作時間が改善されているが、基板リーク電流により消費電流が増大する。そのため、従来技術に係るセンスアンプ回路と比べて、クロスカップル型センスアンプ回路は2.08倍、カレントラッチ型センスアンプ回路は2.29倍にPD積が増加した。   Further, a comparison of PD products was simulated for the prior art and the sense amplifier circuits according to the embodiments. The PD product is a product of power (Power) and delay time (Delay). The PD product is a value representing the operating energy of the circuit. FIG. 28 is a table showing the PD product of the conventional technology and the sense amplifier circuit according to each embodiment. As is apparent from FIG. 28, as a result of the improvement of the precharge operation time, the sense amplifier circuit according to the first and second embodiments is a cross-coupled sense amplifier circuit as compared with the sense amplifier circuit according to the prior art. The PD product was reduced by 74.3%, and the current latch type sense amplifier circuit was 77.3%. In the sense amplifier circuits according to the third and fourth embodiments that do not reuse the substrate leakage current, the precharge operation time is improved, but the current consumption increases due to the substrate leakage current. As a result, the PD product increased by 2.08 times for the cross-coupled sense amplifier circuit and 2.29 times for the current latch type sense amplifier circuit compared to the sense amplifier circuit according to the prior art.

以上説明したように、本実施形態によれば、動的に基板電位を変化させることによりプリチャージ動作速度を向上させたセンスアンプ回路を考案した。第1及び第2の実施形態に係るセンスアンプ回路では、基板バイアス効果を用いたときに生じる基板リーク電流を出力のプリチャージに再利用することにより、消費電力の増加を抑えることができる。ここで、クロスカップル型センスアンプ回路は、基板リーク電流により、ビット線の電位が下がるため、動的基板バイアス制御を適用することによるプリチャージ動作時間の削減効果は、クロスカップル型センスアンプ回路よりカレントラッチ型センスアンプ回路のほうが高い。   As described above, according to this embodiment, a sense amplifier circuit in which the precharge operation speed is improved by dynamically changing the substrate potential has been devised. In the sense amplifier circuits according to the first and second embodiments, an increase in power consumption can be suppressed by reusing the substrate leakage current generated when the substrate bias effect is used for output precharging. Here, in the cross-coupled sense amplifier circuit, the potential of the bit line is lowered due to the substrate leakage current. Therefore, the effect of reducing the precharge operation time by applying the dynamic substrate bias control is more than that of the cross-coupled sense amplifier circuit. The current latch type sense amplifier circuit is higher.

以上の実施形態において、プリチャージ動作用のトランジスタとして、SAE信号に応答して動作するpMOSFETP3,P4を用いているが、本発明はこれに限らず、SAE信号の反転信号SAEBに応答して動作するnMOSFETを用いてもよい。   In the above embodiments, the pMOSFETs P3 and P4 that operate in response to the SAE signal are used as the precharge operation transistors. However, the present invention is not limited to this, and the transistor operates in response to the inverted signal SAEB of the SAE signal. NMOSFET may be used.

以上詳述したように、本発明に係るセンスアンプ回路によれば、上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することができる。また、上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備え、上記各インバータ回路のnMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することにより、消費電力を大幅に軽減できる。   As described above in detail, according to the sense amplifier circuit of the present invention, by applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each precharging transistor, the substrate bias effect of the transistor is used. By reducing the threshold voltage, the precharge operation can be speeded up. And an inverter circuit that is provided for each precharge transistor and that inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of each precharge transistor. The source terminal is connected to the output node of the latch circuit, and by reusing the substrate leakage current flowing from the substrate of each precharging transistor to the output node via the nMOSFET at the time of precharging, the power consumption is greatly increased. Can be reduced.

11〜14…CMOSインバータ、
P1〜P12…pMOSFET、
N1〜N12…nMOSFET、
P3B,P4B…基板端子、
OUT,VOUTB…出力ノード。
11-14 ... CMOS inverter,
P1-P12 ... pMOSFET,
N1-N12 ... nMOSFET,
P3B, P4B ... Board terminal,
V OUT , V OUTB ... Output nodes.

Claims (8)

2個のインバータをクロスカップルで接続してなるラッチ回路と、ビット線と上記ラッチ回路の各出力ノードとの間に挿入されセンスアンプ活性化信号に応答してプリチャージ動作するための2個のプリチャージ用トランジスタとを備えたクロスカップル型センスアンプ回路において、
上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することを特徴とするセンスアンプ回路。
A latch circuit in which two inverters are connected in a cross couple, and two latch circuits inserted between a bit line and each output node of the latch circuit for performing a precharge operation in response to a sense amplifier activation signal. In a cross-coupled sense amplifier circuit including a precharging transistor,
By applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each of the precharge transistors, the threshold voltage is lowered using the substrate bias effect of the transistor, thereby speeding up the precharge operation. A characteristic sense amplifier circuit.
上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載のセンスアンプ回路。   2. An inverter circuit provided for each of the precharging transistors, further comprising an inverter circuit that inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of the precharging transistor. The sense amplifier circuit described. 上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、
上記nMOSFETのソース端子は接地されたことを特徴とする請求項2記載のセンスアンプ回路。
Each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET,
3. The sense amplifier circuit according to claim 2, wherein the source terminal of the nMOSFET is grounded.
上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、
上記nMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することを特徴とする請求項2記載のセンスアンプ回路。
Each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET,
A source terminal of the nMOSFET is connected to an output node of the latch circuit, and a substrate leakage current flowing from the substrate of each precharging transistor to the output node via the nMOSFET at the time of precharging is reused. The sense amplifier circuit according to claim 2.
2個のインバータをクロスカップルで接続してなるラッチ回路と、電源電圧と上記ラッチ回路の各出力ノードとの間に挿入されセンスアンプ活性化信号に応答してプリチャージ動作するための2個のプリチャージ用トランジスタとを備えたカレントラッチ型センスアンプ回路において、
上記各プリチャージ用トランジスタの基板−ソース間に所定の電圧を印加することにより、当該トランジスタの基板バイアス効果を利用してしきい値電圧を低下させることによって、プリチャージ動作を高速化することを特徴とするセンスアンプ回路。
A latch circuit formed by connecting two inverters in a cross-coupled manner, and two latch circuits inserted between a power supply voltage and each output node of the latch circuit for performing a precharge operation in response to a sense amplifier activation signal In a current latch type sense amplifier circuit including a precharging transistor,
By applying a predetermined voltage between the substrate and the source of each of the precharge transistors, the threshold voltage is lowered using the substrate bias effect of the transistor, thereby speeding up the precharge operation. A characteristic sense amplifier circuit.
上記各プリチャージ用トランジスタ毎に設けられ、上記センスアンプ活性化信号又はその反転信号を反転して上記各プリチャージ用トランジスタの基板に印加するインバータ回路をさらに備えたことを特徴とする請求項5記載のセンスアンプ回路。   6. An inverter circuit which is provided for each of the precharging transistors and which inverts the sense amplifier activation signal or its inverted signal and applies the inverted signal to the substrate of each of the precharging transistors. The sense amplifier circuit described. 上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、
上記nMOSFETのソース端子は接地されたことを特徴とする請求項6記載のセンスアンプ回路。
Each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET,
7. The sense amplifier circuit according to claim 6, wherein the source terminal of the nMOSFET is grounded.
上記各インバータ回路はpMOSFETとnMOSFETとを備えて構成され、
上記nMOSFETのソース端子は上記ラッチ回路の出力ノードに接続され、プリチャージ時に上記各プリチャージ用トランジスタの基板から上記nMOSFETを介して上記出力ノードに流れる基板リーク電流を再利用することを特徴とする請求項6記載のセンスアンプ回路。
Each inverter circuit includes a pMOSFET and an nMOSFET,
A source terminal of the nMOSFET is connected to an output node of the latch circuit, and a substrate leakage current flowing from the substrate of each precharging transistor to the output node via the nMOSFET at the time of precharging is reused. The sense amplifier circuit according to claim 6.
JP2011037119A 2011-02-23 2011-02-23 Sense amplifier circuit Expired - Fee Related JP5243568B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011037119A JP5243568B2 (en) 2011-02-23 2011-02-23 Sense amplifier circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011037119A JP5243568B2 (en) 2011-02-23 2011-02-23 Sense amplifier circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012174318A true JP2012174318A (en) 2012-09-10
JP5243568B2 JP5243568B2 (en) 2013-07-24

Family

ID=46977091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011037119A Expired - Fee Related JP5243568B2 (en) 2011-02-23 2011-02-23 Sense amplifier circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5243568B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107464584A (en) * 2016-06-02 2017-12-12 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 It is a kind of to increase the sense amplifier and electronic installation for reading data surplus
KR20210128034A (en) * 2016-04-27 2021-10-25 마이크론 테크놀로지, 인크 Data caching
KR20220147801A (en) * 2021-04-28 2022-11-04 인천대학교 산학협력단 Current latched sense amplifier to detect differences in input voltages

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09162356A (en) * 1995-12-06 1997-06-20 Fujitsu Ltd Semiconductor memory
JPH10144083A (en) * 1996-11-01 1998-05-29 Nec Corp Semiconductor memory
JPH10327066A (en) * 1997-05-27 1998-12-08 Sony Corp Nmos gate input sense amplifier in transistor logic circuit
JP2000207887A (en) * 1998-09-02 2000-07-28 Toshiba Corp Latch type sense amplifier
JP2001068634A (en) * 1999-08-30 2001-03-16 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor integrated circuit device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09162356A (en) * 1995-12-06 1997-06-20 Fujitsu Ltd Semiconductor memory
JPH10144083A (en) * 1996-11-01 1998-05-29 Nec Corp Semiconductor memory
JPH10327066A (en) * 1997-05-27 1998-12-08 Sony Corp Nmos gate input sense amplifier in transistor logic circuit
JP2000207887A (en) * 1998-09-02 2000-07-28 Toshiba Corp Latch type sense amplifier
JP2001068634A (en) * 1999-08-30 2001-03-16 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor integrated circuit device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210128034A (en) * 2016-04-27 2021-10-25 마이크론 테크놀로지, 인크 Data caching
KR102434162B1 (en) 2016-04-27 2022-08-19 마이크론 테크놀로지, 인크 Data caching
US11520485B2 (en) 2016-04-27 2022-12-06 Micron Technology, Inc. Data caching for ferroelectric memory
CN107464584A (en) * 2016-06-02 2017-12-12 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 It is a kind of to increase the sense amplifier and electronic installation for reading data surplus
KR20220147801A (en) * 2021-04-28 2022-11-04 인천대학교 산학협력단 Current latched sense amplifier to detect differences in input voltages
KR102547037B1 (en) 2021-04-28 2023-06-22 인천대학교 산학협력단 Current latched sense amplifier to detect differences in input voltages

Also Published As

Publication number Publication date
JP5243568B2 (en) 2013-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108028057B (en) Single ended bit line current sense amplifier for SRAM applications
Gupta et al. Pentavariate $ V_ {\mathrm {min}} $ Analysis of a Subthreshold 10T SRAM Bit Cell With Variation Tolerant Write and Divided Bit-Line Read
Yang et al. Single-ended 9T SRAM cell for near-threshold voltage operation with enhanced read performance in 22-nm FinFET technology
Kim et al. An 8T subthreshold SRAM cell utilizing reverse short channel effect for write margin and read performance improvement
KR102103470B1 (en) Buffer circuit of semiconductor apparatus
Sharma et al. High performance process variations aware technique for sub-threshold 8T-SRAM cell
Wen et al. Differential-read 8T SRAM cell with tunable access and pull-down transistors
JP5243568B2 (en) Sense amplifier circuit
US20040017717A1 (en) Differential amplifier circuit with high amplification factor and semiconductor memory device using the differential amplifier circuit
Jeong et al. Bitline precharging and preamplifying switching pMOS for high-speed low-power SRAM
Hu Reliability-tolerant design for ultra-thin-body GeOI 6T SRAM cell and sense amplifier
Parekh Design and simulation of single electron transistor based SRAM and its memory controller at room temperature
Ryan et al. Minimizing offset for latching voltage-mode sense amplifiers for sub-threshold operation
JP5395009B2 (en) Power supply voltage control circuit and control method for subthreshold SRAM
Sakurai High-speed circuit design with scaled-down MOSFETs and low supply voltage
Kumar et al. A novel 7T SRAM cell design for reducing leakage power and improved stability
Pal et al. Device bias technique to improve design metrics of 6T SRAM cell for subthreshold operation
Gupta et al. Performance evaluation of SRAM cells for deep submicron technologies
Sharma Design of low leakage PVT variations aware CMOS bootstrapped driver circuit
Sinha et al. Low-power 9T subthreshold SRAM cell with single-ended write scheme
Moritz et al. Optimization of a voltage sense amplifier operating in ultra wide voltage range with back bias design techniques in 28nm UTBB FD-SOI technology
Gundu et al. A new sense amplifier topology with improved performance for high speed sram applications
Anitha et al. Ultra-low leakage static random access memory design
Kushwaha et al. A Comparative Study of Single-and Dual-Threshold Voltage SRAM Cells
Shukla et al. Analysis of the Effect of Temperature and Vdd on Leakage Current in Conventional 6T-SRAM Bit-Cell at 90nm and 65nm Technology

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121030

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121211

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130312

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130404

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160412

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees