JP2846850B2 - センスアンプ回路 - Google Patents

センスアンプ回路

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JP2846850B2 JP12344696A JP12344696A JP2846850B2 JP 2846850 B2 JP2846850 B2 JP 2846850B2 JP 12344696 A JP12344696 A JP 12344696A JP 12344696 A JP12344696 A JP 12344696A JP 2846850 B2 JP2846850 B2 JP 2846850B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体メモリ装置に
おけるメモリセルデータを感知増幅するセンスアンプ回
路に関するもので、特に、2進データだけでなく、マル
チレベル(multi-level) のデータを記憶可能なメモリセ
ルを有する半導体メモリに使用することのできる広入力
範囲(wide input range)の特性をもつセンスアンプ回路
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】最近の半導体メモリ装置は製造技術の発
達と共に多様な進歩を遂げているが、その進歩の1つ
に、高集積化及び高速化のためのセンシング技術があげ
られる。特に、ビットラインにメモリセルから読出され
るデータの電圧レベルを感知し増幅するセンスアンプ回
路について多様な技術が開示されている。
【0003】現在までのセンスアンプ回路は、入力信号
の電圧レベルが、センスアンプ回路の入力端に位置した
NMOSトランジスタのしきい値電圧のレベルより高い
場合のみに対して感知動作を遂行することが可能とさ
れ、従ってNMOSトランジスタのしきい値電圧より低
いレベルの入力信号に対しては感知動作を行うことがで
きないものとなっている。また、電源電圧レベルに近い
高電圧レベルの入力信号がセンスアンプ回路の入力端に
印加される場合には、負荷トランジスタ(通常、PMO
Sトランジスタ)と入力トランジスタ(通常、NMOS
トランジスタ)が同時に多量の電流を流すことになるの
で、“ハイ”状態の出力を電源電圧レベルで得ることが
できず、電源電圧の70%〜80%程度のレベルでしか
得られない現象が生じる。このように、通常のセンスア
ンプ回路には、その入力端に印加できる電圧マージンが
小さいという問題点がある。そして、このようなセンス
アンプ回路を、1つのメモリセルにマルチビット情報を
記憶可能なマルチレベルストレージ(多値記憶)のメモ
リデバイスに利用する場合、メモリセルの動作範囲がセ
ンスアンプ回路で感知できる入力範囲による制限を受け
るので、メモリセルに記憶する各レベル間の電圧許容範
囲が小さくなる結果となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
するために従来では、図1に示すように、各入力範囲に
該当するよう別々に設計した多数のセンスアンプ回路を
使用しているが、この場合には、感知回路がメモリデバ
イスに占める割合が大きくなってしまうので集積性が悪
くなる。これについて、次により詳しく説明する。
【0005】図1は、1つのメモリセルにマルチビット
情報を記憶するマルチレベルストレージのROMデバイ
スに利用されている回路を示すものである。感知部30
に設けられた各センスアンプ回路31,32,33の非
反転入力端子(+)には、それぞれ異なるレベルの基準
電圧REF3,REF2,REF1が印加され、そして
反転入力端子(−)には、メモリセルアレイ10と負荷
回路20によって決定されるビットライン電圧VBが共
通入力信号として印加される。各センスアンプ回路3
1,32,33は、それぞれ提供される各基準電圧とビ
ットライン電圧VBとを比較する感知動作を同時に遂行
し、その各出力は、ゲート素子41,42,43,44
からなるエンコーダ回路40を経て入出力端子50,5
1へ送られ、最上位ビット(Most Significant Bit)と最
下位ビット(Least Significant Bit) のデータとしてそ
れぞれ出力される。
【0006】図1に示すように、多数のセンスアンプ回
路を利用したマルチレベルの感知回路では多数のセンス
アンプ回路及びエンコーダ回路を備えることになるの
で、これを1チップに実現する場合、占有面積が大きく
なることが分かる。従って、これを、各ビットライン当
り又は複数のビットライン当りに各感知回路を要求する
NAND形フラッシュEEPROMなどのページ構造を
有する不揮発性半導体メモリに適用する場合、デバイス
サイズをコンパクト設計し難いという問題点がある。
【0007】そこで本発明の目的は、データ入力信号が
接地と電源電圧との間の所定値をもって印加されても感
知動作を容易に遂行できるセンスアンプ回路を提供し、
上記問題点を解消することにある。また、1つのセンス
アンプ回路を使用してマルチレベルのデータを順次感知
可能で集積時の占有面積を小さくすることができ、ペー
ジ構造の半導体メモリに最適な感知回路を提供する。或
いは、出力の“ロウ”状態は接地電圧に近いレベルで、
そして“ハイ”状態は電源電圧に近いレベルで得られる
センスアンプ回路を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】このような目的のために
本発明によるセンスアンプ回路は、入力信号に応答して
出力端子の電圧を変化させる第1導電手段と、この第1
導電手段とは異なる極性をもち、前記入力信号に応答し
て他の出力端子の電圧を変化させる第2導電手段と、こ
れら第1導電手段及び第2導電手段による電圧変化で相
対的に電圧が高くなった出力端子の充電を行う充電手段
と、前記第1導電手段及び第2導電手段による電圧変化
で相対的に電圧が低くなった出力端子の放電を行う放電
手段と、を備えてなることを特徴とする。
【0009】その一態様として、1対の出力端子の第1
電源側に接続されて前記出力端子対に制御電極がクロス
接続される第1のトランジスタ対と、前記出力端子対の
第2電源側に接続されて前記出力端子対に制御電極がク
ロス接続される第2のトランジスタ対と、前記出力端子
対の第2電源側に接続されて入力信号を制御電極に受け
る第3のトランジスタ対(第1導電手段)と、この第3
のトランジスタ対とは異なる極性をもち、前記出力端子
対の第2電源側に接続されて前記入力信号を制御電極に
受ける第4のトランジスタ対(第2導電手段)と、を備
えてなることを特徴とする。この場合、第1電源が電源
電圧、第2電源が接地であれば第1のトランジスタ対が
充電手段となり、第2のトランジスタ対が放電手段とな
る。第1電源、第2電源が逆の関係になれば充電手段、
放電手段も逆になる。
【0010】より具体的態様としては、第1出力端子と
プルダウンノードとの間にドレイン−ソース通路を並列
に設けた第1,第2Nチャネルトランジスタ及び第1P
チャネルトランジスタと、第2出力端子とプルダウンノ
ードとの間にドレイン−ソース通路を並列に設けた第
3,第4Nチャネルトランジスタ及び第2Pチャネルト
ランジスタと、電源電圧を第1及び第2出力端子へ供給
する第3及び第4Pチャネルトランジスタと、を備え、
第1Nチャネルトランジスタ及び第2Pチャネルトラン
ジスタの各ゲートに基準電圧を入力し、第3Nチャネル
トランジスタ及び第1Pチャネルトランジスタの各ゲー
トにデータを入力し、そして、第2Nチャネルトランジ
スタのゲートを第2出力端子に接続し且つ第4Nチャネ
ルトランジスタのゲートを第1出力端子に接続し、ま
た、第3Pチャネルトランジスタのゲートを第2出力端
子に接続し且つ第4Pチャネルトランジスタのゲートを
第1出力端子に接続して使用するセンスアンプ回路とす
る。尚、プルダウンノードは、センスアンプ回路のエネ
ーブル/ディスエーブルを制御するスイッチのONによ
り接地接続されるノードである。この場合、第1及び第
3Nチャネルトランジスタが第1導通手段、第1及び第
2Pチャネルトランジスタが第2導通手段、そして、第
2及び第4Nチャネルトランジスタが放電手段、第3及
び第4Pチャネルトランジスタが充電手段となる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき添
付図面を参照して詳細に説明する。次の説明では、本発
明のより完全な理解のために詳細な特定事項を提供す
る。しかし、本発明がこのような特定事項に限られるも
のでないことは、勿論である。また、よく知られている
トランジスタの特性や機能とその製造過程などについて
は、適宜説明を省略する。
【0012】本発明によるセンスアンプ回路の一回路例
を図2に示し、その特性について図3A〜Cに示してあ
る。図2は、例えばEEPROMで使用可能なセンスア
ンプ回路を示すもので、大きく分けて、第1出力端子N
10と第2出力端子N20との間にドレイン−ソース通
路が接続され、等化信号EQをゲート端子に受信する等
化トランジスタQ9と、ラッチ構造を有する差動増幅器
60と、で構成される。
【0013】差動増幅器60は、第1及び第2出力端子
N10,N20とプルダウンノードN30が設けられ、
第1出力端子N10とプルダウンノードN30との間に
は、ドレイン−ソース通路が並列に設けられた第1及び
第2NMOSトランジスタQ1,Q5と第1PMOSト
ランジスタQ3が接続されている。そして、第2出力端
子N20とプルダウンノードN30との間には、ドレイ
ン−ソース通路が並列に設けられた第3及び第4NMO
SトランジスタQ4,Q6と第2PMOSトランジスタ
Q2が接続されている。尚、プルダウンノードN30
は、プルダウントランジスタQ10のドレイン−ソース
通路導通により、該ノード電圧のレベルが接地レベルと
実際に等しくなるノードである。
【0014】第1NMOSトランジスタQ1と第2PM
OSトランジスタQ2の各ゲートは基準電圧端子REF
に接続され、第3NMOSトランジスタQ4と第1PM
OSトランジスタQ3のゲートはデータ入力端子DAT
Aに接続される。また、第4NMOSトランジスタQ6
のゲートは第1出力端子N10に接続され、第2NMO
SトランジスタQ5のゲートは第2出力端子N20に接
続される。そして、プルダウンノードN30と接地端子
GNDとの間には、エネーブル信号ENに応答するプル
ダウントランジスタQ10のドレイン−ソース通路が接
続され、電源供給端子Vccと第1及び第2出力端子N
10,N20との間には、第3及び第4PMOSトラン
ジスタQ7,Q8がそれぞれ接続される。第3PMOS
トランジスタQ7のゲートは第2出力端子N20へ、第
4PMOSトランジスタQ8のゲートは第1出力端子N
10へクロス接続される。
【0015】図3A〜Cは図2のセンスアンプ回路の動
作を示す入出力電圧レベルの時間対電圧波形図であっ
て、3種の状態で印加される基準電圧及びデータ入力に
対する出力特性をそれぞれ示す。
【0016】図2を参照すれば、第1NMOSトランジ
スタQ1のゲートは第2PMOSトランジスタQ2のゲ
ートと共に基準電圧REFを受け、また、第3NMOS
トランジスタQ4のゲートは第1PMOSトランジスタ
Q3のゲートと共にデータ入力端子DATAへ接続され
ているので、本実施形態では、電源電圧Vccや接地G
NDのレベルに近い電圧がデータ入力端子DATAから
入力されても感知動作可能である。この差動増幅器60
の感知動作はエネーブル信号ENの論理“ハイ”によっ
て活性化される。
【0017】例えば、差動増幅器60内にある第1及び
第3NMOSトランジスタQ1,Q4のしきい値電圧を
Vth(n)とし、基準電圧REF、入力データ電圧D
ATA、しきい値電圧Vth(n)がVth(n)<R
EF<DATAの電圧関係にあり、第1及び第2PMO
SトランジスタQ3,Q2が導通する程度の低めの電圧
が各入力端子に加えられれば、第1及び第2PMOSト
ランジスタQ3,Q2と第1及び第3NMOSトランジ
スタQ1,Q4はすべて入力トランジスタとして動作す
る。この場合は図3Bに対応し、即ち、基準電圧REF
及び入力データ電圧DATAがそれぞれNMOSトラン
ジスタのしきい値電圧よりは大きく且つ電源電圧と接地
との間の中間レベルで印加される場合である。
【0018】プルダウントランジスタQ10がエネーブ
ル信号ENによって導通状態を維持すれば、第1及び第
3NMOSトランジスタQ1,Q4と第1及び第2PM
OSトランジスタQ3,Q2のドレイン−ソース通路が
各入力信号に応答してそれぞれ導通し電流をプルダウン
ノードN30へ通過させる程度に従い、第1及び第2出
力端子N10,N20の電圧状態が決定される。図3B
の場合には、第3NMOSトランジスタQ4が第1NM
OSトランジスタQ1よりも多く電流を流し、そして第
2PMOSトランジスタQ2が第1PMOSトランジス
タQ3よりも多く電流を流すので、第2出力電圧バーO
UTPUTの方が第1出力電圧OUTPUTに比べて低
い電圧状態となる。このようにして第2出力電圧バーO
UTPUTの電圧状態が低くなると、第2NMOSトラ
ンジスタQ5が電流遮断状態になり、また第3PMOS
トランジスタQ7が第4PMOSトランジスタQ8より
も多く電流を流すことになるので、第1出力電圧OUT
PUTのレベルは電源電圧Vccレベルまで高められ
る。一方で、第1出力電圧OUTPUTの電圧状態が高
くなるほど第4NMOSトランジスタQ6が多くの電流
を流すことになり、第3NMOSトランジスタQ4と共
に第2出力電圧バーOUTPUTの電圧状態を接地レベ
ルまで完全に低めるよう働く。
【0019】図3Cは、基準電圧REF及び入力データ
電圧DATAがそれぞれ電源電圧に近い高レベルで印加
される場合の出力電圧状態を示す。この場合には、第1
及び第2PMOSトランジスタQ3,Q2が非導通状態
となり、そして第1及び第3NMOSトランジスタQ
1,Q4が入力トランジスタとして動作する。このとき
も図3B同様の出力電圧の展開が図られることになる。
【0020】上記各場合に、論理“ハイ”状態の出力電
圧は電源電圧に近いレベル、例えば電源電圧が3.3V
の場合は3.25V程度で得られ、また、論理“ロウ”
状態の出力電圧は接地レベルで得られ、ほぼ完全なCM
OSレベルの出力が得られることになる。
【0021】基準電圧REF、入力データ電圧DAT
A、しきい値電圧Vth(n)がREF<DATA<V
th(n)の関係にあるときの回路動作は次の通りであ
る。この場合は図3Aに相当する。
【0022】プルダウントランジスタQ10がエネーブ
ル信号ENによって導通状態となると、第1及び第3N
MOSトランジスタQ1,Q4は入力信号が印加されて
も電流遮断状態にあるが、このときには第2PMOSト
ランジスタQ2が第1PMOSトランジスタQ3よりも
多く電流を流すことになるので、第2出力電圧バーOU
TPUTが第1出力電圧OUTPUTに比べて低い電圧
状態になる。第2出力電圧バーOUTPUTの方が低く
なると、第2NMOSトランジスタQ5が電流遮断状態
になると共に、第3PMOSトランジスタQ7が第4P
MOSトランジスタQ8よりも多く電流を流するように
なり、従って、第1出力電圧OUTPUTのレベルが電
源電圧Vccレベルまで高められる。そして、第1出力
電圧OUTPUTの電圧が高くなるほど第4NMOSト
ランジスタQ6が多くの電流を流すので、第2出力電圧
バーOUTPUTの電圧レベルが接地レベルまで低めら
れる。
【0023】この図3Aのように接地レベルに近い低い
入力電圧がセンスアンプ回路のデータ入力端に印加され
る場合においても、図3B及び図3Cのときと同様に、
得られる論理“ハイ”の出力電圧は電源電圧レベルに近
く、論理“ロウ”の出力電圧は接地レベルで得られる。
即ち、第2及び第4NMOSトランジスタQ5,Q6を
有することにより、入力データ電圧DATAが接地GN
Dに近いレベルで印加されても、第1出力電圧OUTP
UTや第2出力電圧バーOUTPUTのレベルにはしき
い値電圧による影響がほぼなくなる。
【0024】より具体的には、第1及び第3NMOSト
ランジスタQ1,Q4のしきい値電圧より低い入力電圧
が印加されるとき、論理“ハイ”になる方の第1出力電
圧OUTPUT又は第2出力電圧バーOUTPUTにつ
いては、第2及び第4NMOSトランジスタQ5,Q6
がなくとも電源電圧程度の高い電圧レベルが得られる
が、論理“ロウ”になる方の第1出力電圧OUTPUT
又は第2出力電圧バーOUTPUTについては、第2及
び第4NMOSトランジスタQ5,Q6がなければ、第
1及び第3NMOSトランジスタQ1,Q4が電流遮断
状態となって第1及び第2PMOSトランジスタQ3,
Q2のみで電流を流すことになるため、接地レベルの電
圧を得られなくなる。即ち、このときの論理“ロウ”の
第1出力電圧OUTPUT或いは第2出力電圧バーOU
TPUTの電圧状態は、“|第1PMOSトランジスタ
Q3のしきい値電圧|+入力データ電圧DATA”或い
は“|第2PMOSトランジスタQ2のしきい値電圧|
+基準電圧REF”の程度にしか低くならない。つま
り、接地レベルの論理“ロウ”状態の出力電圧を得るた
めに、第1出力電圧OUTPUT及び第2出力電圧バー
OUTPUTの電圧変化に応じて導通制御される第2及
び第4NMOSトランジスタQ5,Q6が必要である。
【0025】上記の場合以外にも“第1出力電圧OUT
PUT−第4PMOSトランジスタQ8−第2出力電圧
バーOUTPUT−第2NMOSトランジスタQ5”や
“第2出力電圧バーOUTPUT−第3PMOSトラン
ジスタQ7−第1出力電圧バーOUTPUT−第4NM
OSトランジスタQ6”の帰還ループが形成され得るこ
とは容易に理解できるところである。
【0026】第3及び第4PMOSトランジスタQ7,
Q8は、第1出力電圧OUTPUTと第2出力電圧バー
OUTPUTの電圧変化に従っていずれか一方を電源電
圧レベルへ引上げる役目をもち、また、第2及び第4N
MOSトランジスタQ5,Q6は、第1出力電圧OUT
PUTと第2出力電圧バーOUTPUTの電圧変化に従
っていずれか一方を、トランジスタQ1〜Q4と共に接
地レベルへ引下げる役目をもつ。これにより、第1出力
電圧OUTPUT及び第2出力電圧バーOUTPUTが
接地レベル又は電源電圧レベルで得られるようになる。
こうして得られるCMOSレベルの出力により、当該セ
ンスアンプ回路の出力端N10,N20につながれる回
路の入力状態が安定し、また、電源電圧が変化した場合
でも十分なセンシングマージンを確保することができ
る。本実施形態の検証結果では、実際のセンシングマー
ジンが数mV単位で確認された。
【0027】差動増幅器60の第1出力端子N10と第
2出力端子N20との間に続されたPMOSトランジス
タQ9は、等化機能を遂行する等化トランジスタで、ゲ
ートに等化信号EQを受けて導通する。即ち、等化信号
EQが論理“ロウ”のときに第1及び第2出力端子N1
0,N20の電圧レベルを等しくして感知速度を速くす
る。この等化トランジスタQ9がない場合は、例えば最
初に感知した第1出力電圧OUTPUTのレベルが電源
電圧状態で次の感知結果が接地状態になるときに、その
遷移に長時間を要することになるが、等化トランジスタ
Q9が設けてあればその等化作用により、次の出力前に
第1出力端子N10及び第2出力端子N20の電圧レベ
ルが電源電圧と接地との中間レベルにされ、次の感知結
果に基づく論理“ロウ”又は論理“ハイ”への展開がそ
の中間レベルからになるので、感知速度が速くなる。
【0028】本発明は上記実施形態に限られないのは勿
論で、例えば、図示とは電源極性が逆でトランジスタの
極性を変えた形態など、本発明の技術思想に基づくその
他各種実施形態が可能である。
【0029】
【発明の効果】本発明によるセンスアンプ回路をマルチ
レベルストレージのデバイスに適用すれば、感知回路の
入力範囲を十分大きくとれ、1つのセンスアンプ回路の
みを利用してメモリセルに記憶可能なマルチレベルの情
報を順次に感知する構成とすることができ、従来のよう
に各基準電圧ごとの別設計のセンスアンプ回路を設ける
必要がない。従って、集積性に優れている。本発明によ
るセンスアンプ回路は、メモリセルに2以上のビット情
報を記憶可能なマルチレベルストレージのフラッシュメ
モリデバイスに最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のマルチレベルストレージデバイスにおけ
る感知回路の回路図。
【図2】本発明によるセンスアンプ回路の回路図。
【図3】図2の回路の動作特性を説明する電圧波形図。
【符号の説明】
Q1,Q4 第1導電手段(第3のトランジスタ対) Q2,Q3 第2導電手段(第4のトランジスタ対) Q5,Q6 放電手段(第2のトランジスタ対) Q7,Q8 充電手段(第1のトランジスタ対)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G11C 16/06 G11C 11/419

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1対の出力端子の一方の第1電源側にそ
    れぞれ接続されて前記出力端子対の他方に制御電極が接
    続される第1のトランジスタ対と、前記出力端子対の一
    方の第2電源側にそれぞれ接続されて前記出力端子対の
    他方に制御電極が接続される第2のトランジスタ対と、
    前記出力端子対の一方の第2電源側に前記第2のトラン
    ジスタと並列にそれぞれ接続されて入力信号を制御電極
    に受ける第3のトランジスタ対と、この第3のトランジ
    スタとは異なる極性をもち、前記出力端子対の一方の第
    2電源側にそれぞれ接続されて前記出力端子対の他方に
    接続の前記第3トランジスタへの入力信号を制御電極に
    受ける第4のトランジスタ対と、を備えてなることを特
    徴とするセンスアンプ回路。
  2. 【請求項2】 等化信号に従い導通して出力端子対を等
    化する等化トランジスタをさらに備える請求項1記載の
    センスアンプ回路。
JP12344696A 1995-05-20 1996-05-17 センスアンプ回路 Expired - Fee Related JP2846850B2 (ja)

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KR1995P12691 1995-05-20
KR1019950012691A KR0164385B1 (ko) 1995-05-20 1995-05-20 센스앰프회로

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JPH08321194A JPH08321194A (ja) 1996-12-03
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