JP2016058115A - データ読出し回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】読出し中に高電圧が印加されてもデータの誤書込みがなく、正常にデータを読み出せるデータ読出し回路を提供する。【解決手段】不揮発性記憶素子と、入力インバータと出力インバータとMOSトランジスタを備えたラッチ回路と、不揮発性記憶素子とラッチ回路の間に接続された第一MOSトランジスタと、ラッチ回路と第一電源端子の間に接続された第二MOSトランジスタと、第一MOSトランジスタのゲートをバイアスするための第一バイアス回路と、ラッチ回路のMOSトランジスタをバイアスするための第二バイアス回路と、を備え、不揮発性記憶素子のデータを読出す時に、第一バイアス回路と第二バイアス回路が所定のバイアス電圧を出力する構成にした。【選択図】図1

Description

本発明は、データ読出し回路に関し、より詳しくは、データ読出し中に回路に高電圧が印加された場合において、データ記憶素子への誤書込みを防止し、かつ正常にデータを読出す技術に関する。
図6に、従来の記憶装置のデータ読出し回路の回路図を示す。
PMOSトランジスタ11は、ソース端子が高電圧側の電源端子VDDに接続される。不揮発性記憶素子であるPMOS型OTP素子13は、ソース端子がPMOSトランジスタ11のドレイン端子に接続され、ドレイン端子がPMOSトランジスタ12のソース端子に接続される。データ出力端子DOUTには、ラッチ回路20の入出力端子と、PMOSトランジスタ12のドレイン端子と、NMOSトランジスタ14のドレイン端子が接続される。NMOSトランジスタ14は、ソース端子が低電圧側の電源端子VSSに接続される。従来の記憶装置のデータ読出し回路は、電源端子VDDがGND電圧であるとして説明する。
PMOSトランジスタ11、12のゲートには信号Φ1が入力され、NMOSトランジスタ14のゲートには信号Φ2が入力される。
次に、従来のデータ読出し回路の動作について説明をする。
初期状態は、信号Φ1はHigh(VDD)レベル、信号Φ2はLow(VSS)レベルであり、PMOSトランジスタ11、12とNMOSトランジスタ14はオフしている。データ出力端子DOUTの電位はラッチ回路20が保持している前の読出しデータのレベルである。
先ず、信号Φ2をHighレベルにしてNMOSトランジスタ14をオンさせ、データ出力端子DOUTをLowレベルにする。そして、信号Φ2をLowレベルにしてNMOSトランジスタ14をオフさせる。
次に、信号Φ1をLowレベルにしてPMOSトランジスタ11、12をオンさせる。従って、データ出力端子DOUTにPMOS型OTP素子13のデータが読み出され、同時にラッチ回路20にデータが保持される。そして、信号Φ1をHighレベルにしてPMOSトランジスタ11、12をオフさせるが、ラッチ回路20によりデータ出力端子DOUTはその状態を維持する。
特開2010−192039号公報
PMOS型OTP素子13のデータが1であるときのデータの読出し期間中において、PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間に印加される電圧Vdsは、式(1)で示される。
Vds=|VSS|−(|Vth12|+|Vov12|) ・・・ (1)
ここで、Vth12とVov12はPMOSトランジスタ12のしきい値電圧とオーバードライブ電圧である。一般に、しきい値電圧Vth12は−0.5V、オーバードライブ電圧Vov12は−0.1V程度であり、電源端子VSSの電圧を−1.6Vで動作させると、PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間電圧Vdsは−1Vとなる。
しかしながら、式(1)は|VSS|に依存しており、例えば、データの読出し期間中に静電気などで電源間に高電圧が印加されると、PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間電圧Vdsが大きくなり、書込み電圧を超えるとデータが誤書込みされるという問題がある。
また、従来のデータ読出し回路では、ラッチ回路20を構成するNMOSトランジスタ32の電流(ラッチ電流)は電源電圧に対して2乗で増加するが、一方PMOSトランジスタ11、PMOS型OTP素子13、PMOSトランジスタ12の直列接続で流れる電流(OTPオン電流)はPMOS型OTP素子13のゲート電圧はフローティングであるため、電源電圧を高くしてもそれほど増加しない。よって、電源電圧が高いと、OTPオン電流よりもラッチ電流が大きくなりデータ1読出しができないという問題がある。
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、データの読出し中に電源電圧に高電圧が印加されても、不揮発性メモリにデータの誤書込みがなく、かつ正常にデータを読出すことが可能なデータ読出し回路を提供する。
従来の課題を解決するために、本発明のデータ読出し回路は以下のような構成とした。
不揮発性記憶素子と、入力インバータと出力インバータとMOSトランジスタを備えたラッチ回路と、不揮発性記憶素子とラッチ回路の間に接続された第一MOSトランジスタと、ラッチ回路と第一電源端子の間に接続された第二MOSトランジスタと、第一MOSトランジスタのゲートをバイアスするための第一バイアス回路と、ラッチ回路のMOSトランジスタをバイアスするための第二バイアス回路と、を備え、不揮発性記憶素子のデータを読出す時に、第一バイアス回路と第二バイアス回路が所定のバイアス電圧を出力する構成にした。
本発明のデータ読出し回路によれば、データの読出し中に電源電圧に高電圧が印加されても、不揮発性メモリにデータの誤書込みがなく、かつ正常にデータを読出すことが可能なデータ読出し回路を提供することが出来る。
第一の実施形態のデータ読出し回路を示す図である。 第一の実施形態のデータ読出し回路の読出し動作を示すタイミングチャートである。 第二の実施形態のデータ読出し回路を示す図である。 第三の実施形態のデータ読出し回路を示す図である。 第四の実施形態のデータ読出し回路を示す図である。 従来のデータ読出し回路を示す図である。
以下、本発明のデータ読出し回路の実施形態を、図面を参照して説明する。データ読出し回路は、電源端子VDDがGND電圧であるとして説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施形態のデータ読出し回路を示す回路図である。
まず、本実施形態のデータ読出し回路の構成素子と接続について説明をする。
本実施形態のデータ読出し回路は、不揮発性記憶素子の一例であるPMOS型OTP素子13と、PMOSトランジスタ11と、PMOSトランジスタ12と、ラッチ回路21と、バイアス回路51及び61を備えている。
PMOSトランジスタ11は、ソース端子が高電圧側の電源端子VDDに接続される。PMOS型OTP素子13は、ソース端子がPMOSトランジスタ11のドレイン端子に接続され、ドレイン端子がPMOSトランジスタ12のソース端子に接続される。データ出力端子DOUTには、ラッチ回路21の入出力端子と、PMOSトランジスタ12のドレイン端子と、NMOSトランジスタ14のドレイン端子が接続される。NMOSトランジスタ14は、ソース端子は低電圧側の電源端子VSSに接続される。PMOSトランジスタ12のソース端子はPMOS型OTP素子13のドレイン端子に接続される。PMOSトランジスタ11は、ゲートに信号Φ1が入力される。NMOSトランジスタ14は、ゲートに信号Φ2が入力される。
ラッチ回路21は、PMOSトランジスタ31、41とNMOSトランジスタ32、33、42を備えている。PMOSトランジスタ41、NMOSトランジスタ42で構成されるインバータは、入力端子にデータ出力端子DOUTが接続され、出力端子はPMOSトランジスタ31、NMOSトランジスタ32で構成されるインバータの入力端子に接続される。PMOSトランジスタ31、NMOSトランジスタ32で構成されるインバータは、出力端子がデータ出力端子DOUTに接続される。NMOSトランジスタ33は、NMOSトランジスタ32のソースと電源端子VSSの間に接続され、ゲート端子はノードNBIASに接続される。
バイアス回路51は、PMOSトランジスタ12のゲート(ノードPBIAS)にバイアス電圧を供給する。
バイアス回路51は、デプレション型NMOSトランジスタ52と、NMOSトランジスタ53、54、57と、PMOSトランジスタ55、56、58を備えている。
デプレション型NMOSトランジスタ52は、ゲート端子が電源端子VSSに接続され、ソース端子がNMOSトランジスタ53のゲート端子とドレイン端子とNMOSトランジスタ54のゲート端子に接続される。NMOSトランジスタ53、54は、ソース端子が電源端子VSSに接続される。そして、NMOSトランジスタ53、54は、カレントミラー回路を構成する。PMOSトランジスタ55は、ゲート端子とドレイン端子がNMOSトランジスタ54のドレイン端子とノードPBIASに接続され、ソース端子が電源端子VDDに接続される。
バイアス回路51は、PMOSトランジスタ56、58とNMOSトランジスタ57によってイネーブル機能を備えている。PMOSトランジスタ56は、デプレション型NMOSトランジスタ52のドレイン端子と電源端子VDDの間に接続され、ゲート端子に信号Φ1が入力される。NMOSトランジスタ57は、NMOSトランジスタ53のゲート端子と電源端子VSSの間に接続され、ゲート端子に信号Φ1が入力される。PMOSトランジスタ58は、ノードPBIASと電源端子VDDの間に接続され、ゲート端子に信号Φ1Xが入力される。信号Φ1Xは、信号Φ1の反転信号である。
バイアス回路61は、ラッチ回路21のNMOSトランジスタ33のゲート(ノードNBIAS)にバイアス電圧を供給する。
バイアス回路61は、デプレション型NMOSトランジスタ62と、NMOSトランジスタ63、64と、PMOSトランジスタ65を備えている。
デプレション型NMOSトランジスタ62は、ゲート端子が電源端子VSSに接続され、ドレイン端子が電源端子VDDに接続され、ソース端子がNMOSトランジスタ63のゲート端子とドレイン端子に接続される。
バイアス回路61は、PMOSトランジスタ65とNMOSトランジスタ64によってイネーブル機能を備えている。NMOSトランジスタ64は、NMOSトランジスタ63のソース端子と電源端子VSSの間に接続され、ゲート端子に信号Φ1Xが入力される。PMOSトランジスタ65は、ノードNBIASと電源端子VDDの間に接続され、ゲート端子に信号Φ1Xが入力される。
次に、第1の実施形態のデータ読出し回路の読出し動作について説明する。
バイアス回路51、61は、信号Φ1がLowレベル(信号Φ1XがHighレベル)の時にイネーブルになり、ノードPBIAS、NBIASへバイアス電圧を出力し、信号Φ1がHighレベル(信号Φ1XがLowレベル)の時にディスエーブル状態になり、ノードPBIAS、NBIASへ電源端子VDDの電圧を出力する。
図2は、第一の実施形態のデータ読出し回路の読出し動作を示すタイミングチャートである。
〔データ1を読出す動作説明〕
t<t1の期間は、信号Φ1はHighレベルかつ信号Φ2はLowレベルであり、PMOSトランジスタ11とNMOSトランジスタ14はオフしている。バイアス回路51及び61はディスエーブル状態であり、ノードPBIAS、NBIASは電源端子VDDの電圧になっている。従って、PMOSトランジスタ12はオフして、データ出力端子DOUTはラッチ回路21が保持しているデータの電圧レベルになっている。
t1<t<t2の期間で、信号Φ2をHighレベルにしてNMOSトランジスタ14をオンすることで、ラッチ回路21のデータ及びデータ出力端子DOUTをLowレベルにリセットする。t2<t<t3の期間で、信号Φ2をLowレベルにすることでNMOSトランジスタ14をオフして、データの読み出し準備を終了する。
t3<t<t4の期間で、信号Φ1をLowレベルにすることで、PMOSトランジスタ11をオンさせる。バイアス回路51は、イネーブル状態になり、ノードPBIASへ所定のバイアス電圧を出力する。バイアス回路61は、イネーブル状態となり、ノードNBIASへ所定のバイアス電圧を出力する。
PMOS型OTP素子13は、データ1を記憶しているので導通状態である。従って、データ出力端子DOUTは、PMOSトランジスタ12を介してHighレベルへ引き上げられる。ここで、データ出力端子DOUTをHighレベルへ引き上げるために、PMOSトランジスタ11、PMOS型OTP素子13、PMOSトランジスタ12の直列接続で流れる電流(OTPオン電流)が、ラッチ回路21を構成するNMOSトランジスタ32、33の直列接続で流れる電流(ラッチ電流)よりも大きくなるように設計される。
t4<tの期間では、信号Φ1をHighレベルにすることでPMOSトランジスタ11をオフさせる。また、バイアス回路51、61はディスエーブル状態になり、PMOSトランジスタ12はオフ状態となるが、ラッチ回路21によりデータ出力端子DOUTはHighレベルを維持したままである。
以上の動作により、データ読出し回路はデータ出力端子DOUTからデータ1が読出される。
〔データ0を読出す動作説明〕
t<t3の期間は、データ1の読出し動作と同じであるので、動作説明は省略する。
t3<t<t4の期間で、信号Φ1をLowレベルにすることで、PMOSトランジスタ11をオンさせる。バイアス回路51は、イネーブル状態になり、ノードPBIASへ所定のバイアス電圧を出力する。バイアス回路61は、イネーブル状態となり、ノードNBIASへ所定のバイアス電圧を出力する。
PMOS型OTP素子13は、データ0を記憶しているので非導通状態である。従って、データ出力端子DOUTは、Lowレベルを維持する。
t4<tの期間では、信号Φ1をHighレベルにすることでPMOSトランジスタ11をオフさせる。また、バイアス回路51、61はディスエーブル状態となり、PMOSトランジスタ12はオフ状態となるが、ラッチ回路21によりデータ出力端子DOUTはLowレベルを維持したままである。
以上の動作により、データ読出し回路はデータ出力端子DOUTからデータ0が読出される。
ここで、電源電圧が高電圧になった場合のデータの読出し動作について説明する。
信号Φ1をLowレベルにすることで、バイアス回路51、61はイネーブル状態になる。この時、ノードPBIAS、NBIASは、電源電圧に依存しない所定のバイアス電圧になるので、ラッチ回路21に流れるラッチ電流とPMOS型OTP素子13に流れるOTPオン電流は電源電圧に依存しない。従って、電源電圧が高電圧になった場合においても、データ読出し回路はデータ出力端子DOUTから正常にデータを読み出すことができる。
また、OTPオン電流とラッチ電流は、バイアス回路51、61のバイアス電流に依存する。バイアス回路51のバイアス電流は、デプレション型NMOSトランジスタ52とNMOSトランジスタ53のしきい値電圧で決定される。同様に、バイアス回路61のバイアス電流は、デプレション型NMOSトランジスタ62とNMOSトランジスタ63のしきい値電圧で決定される。従って、製造プロセスでしきい値電圧がバラついても、OTPオン電流とラッチ電流は、同じ方向にバラつくので、OTPオン電流とラッチ電流の大小関係は保持される。半導体チップ内の配置において、デプレション型NMOSトランジスタ52、62とNMOSトランジスタ53、63は、それぞれ近くに、かつ同じに向きに配置すると、より効果的である。
次に、電源電圧が高電圧になった場合でのデータの読出し動作で、不揮発性記憶素子(PMOS型OTP素子13)への誤書込みの防止について説明する。
PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間に印加される電圧Vdsは、式(2)で示される。
Vds=|VPBIAS|−(|Vth12|+|Vov12|) ・・・ (2)
ここで、Vth12、Vov12はそれぞれPMOSトランジスタ12のしきい値電圧、オーバードライブ電圧であり、VPBIASはノードPBIASのバイアス電圧である。一般に、しきい値電圧Vth12は−0.5V、オーバードライブ電圧Vov12は−0.1V程度であり、例えばバイアス電圧VPBIASを−1.2Vに設定すると、PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間電圧は−0.6Vとなる。すなわち、式(2)は電源電圧に依存しておらず、電源電圧に高電圧が印加されてもPMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間電圧Vdsは−0.6Vから変化しない。従って、データの読出し期間に静電気などにより電源間に高電圧が印加されても、PMOS型OTP素子13への誤書込みを防止することができる。
[第2の実施の形態]
図3は、第2の実施形態のデータ読出し回路を示す回路図である。
図1と同じ構成要素については同じ符号で図示している。図1との違いは、バイアス回路51に容量59、バイアス回路61に容量66を備えている点である。
容量59は、ノードPBIASと電源端子VDDの間に接続される。容量66は、ノードNBIASと電源端子VSSの間に接続される。容量59、66は、ノードPBIAS、NBIASの電圧を安定させる効果がある。例えば、バイアス回路51の起動時に、ノードPBIASの電圧が電源端子VDDの電圧から所定のバイアス電圧へと移行するが、この時、ノードPBIASが過渡的にアンダーシュートしてしまうと、PMOS型OTP素子13のドレイン・ソース間電圧が大きくなる。このタイミングで電源電圧に高電圧が印加されると、PMOS型OTP素子13が誤書込みされてしまう可能性がある。また、バイアス回路61の起動時に、ノードNBIASの電圧が電源端子VDDの電圧から所定のバイアス電圧へ移行するが、この時、ノードNBIASが過渡的にアンダーシュートしてしまうと、ラッチ回路21が保持しているデータ0が不定になってしまう。例えば、ノイズの影響で、ラッチ回路21のデータが誤反転する可能性がある。
容量59、66は、ノードPBIAS、NBIASのアンダーシュート防止やノイズ耐性を向上させる効果があり、データ読出し回路をより安定的に動作させることができる。
また、バイアスの起動時だけでなく、データ1読出し時に、ラッチ回路21が反転する時にも回路内の寄生容量を介してノードPBIAS、NBIASが変動することがあり、1組のバイアス回路51、61で複数bitを読出す場合に本実施形態はより効果的である。
[第3の実施の形態]
図4は、第3の実施形態のデータ読出し回路を示す回路図である。
図3と同じ構成要素については同じ符号で図示している。図3との違いは、ラッチ回路21のNMOSトランジスタ33のソース側にNMOSトランジスタ34を備え、そのゲート端子はNMOSトランジスタ42のドレイン端子に接続した点である。これにより、NMOSトランジスタ63とNMOSトランジスタ33で構成するカレントミラー回路のミラー精度が向上し、データ読出し回路をより安定的に動作させることができる。NMOSトランジスタ64とNMOSトランジスタ34のサイズ比は、NMOSトランジスタ63とNMOSトランジスタ33とのサイズ比と同じにするとより効果的である。
[第4の実施の形態]
図5は、第4の実施形態のデータ読出し回路を示す回路図である。
図4と同じ構成要素については同じ符号で図示している。図4との違いはデータ出力端子をラッチ回路21内のPMOSトランジスタ41とNMOSトランジスタ42で構成されるインバータの出力からデータ出力端子DOUTXとして取り出している点である。
データ出力端子DOUTは、読出し期間中にNMOSトランジスタ32、33の直列接続で流れるラッチ電流が定電流となるため、インピーダンスが比較的高い。データ出力端子DOUTは、読出しデータを処理する別のロジック回路ブロック(図示しない)へ配線を引き回すことがあるが、インピーダンスが高いとノイズ耐性が低く、ラッチ回路21のデータが誤反転する可能性がある。本実施形態では、インピーダンスの低いデータ出力端子DOUTXから取り出すことで、データ読出し回路をより安定的に動作させることができる。
なお、バイアス回路51、61の具体的構成はこれらの実施形態において説明した回路構成に限定されるものではなく、請求項の範囲を逸脱しない範囲で構成されても良い。
13 PMOS型OTP素子
21 ラッチ回路
51、61 バイアス回路

Claims (3)

  1. 不揮発性記憶素子と、
    入力インバータと、出力インバータと、前記出力インバータと第一電源端子の間に接続された第三MOSトランジスタと、を備え、前記不揮発性記憶素子のデータを保持するラッチ回路と、
    前記不揮発性記憶素子と前記ラッチ回路の間に接続された第一MOSトランジスタと、
    前記ラッチ回路と第一電源端子の間に接続された第二MOSトランジスタと、
    前記第一MOSトランジスタのゲートをバイアスするための第一バイアス回路と、
    前記ラッチ回路の前記第三MOSトランジスタをバイアスするための第二バイアス回路と、を備え、
    前記不揮発性記憶素子のデータを読出す時に、前記第一バイアス回路と前記第二バイアス回路が所定のバイアス電圧を出力することを特徴とするデータ読出し回路。
  2. 前記第一バイアス回路の出力端子と第二電源端子の間に第一容量と、前記第二バイアス回路の出力端子と第一電源端子の間に第二容量と、
    を備えことを特徴とする請求項1に記載のデータ読出し回路。
  3. 前記ラッチ回路の前記入力インバータの出力端子から前記不揮発性記憶素子のデータを読出す、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のデータ読出し回路。
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