JP3237234B2 - センスアンプ回路 - Google Patents

センスアンプ回路

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセンスアンプに関し、特
にスタティック型メモリ等に使用するカレントミラー型
のセンスアンプ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】スタティック型メモリではメモリセルか
らの微小な読みだし信号を高速に増幅するためにカレン
トミラー型のセンスアンプが用いられている。図5は従
来のスタティック型メモリのメモリセルから出力回路4
までの読みだし回路を示している。ビット線100、1
01には複数のメモリセルがつながっているがここでは
省略して1本のワード線200に接続される1行分だけ
を図示してある。さらに列選択信号Y0からYnにより
選択するビット線対を共通データ線対110、111に
つなぐことでデータを転送している。図5でセンスアン
プ1はPチャネルMOSFET12、13のカレントミ
ラー負荷部分と、共通データ線110と111の信号を
入力する一対のNチャンルMOSFET10、11と信
号SA1で制御されるNチャネルMOSFET16の駆
動部分で構成されている。この従来例ではさらに信号増
幅を行うためにMOSFET20、21、22、23、
26からなるセンスアンプ2を直列に接続している。セ
ンスアンプの動作時は駆動信号SA1,SA2をHレベ
ルにし16、26を導通させ、停止するときLレベルに
して非導通にすることで消費電流を抑えている。
【0003】次に図5の1段目のセンスアンプ1をもと
にカレントミラー型センスアンプの動作を説明する。初
期状態で入力110、111に同じ電圧が与えられてい
るとき出力120、121は同じ電圧で平衡している。
ここで111がdVだけ低い電圧になったとき11のゲ
ート・ソース間電圧が低下することで11の電流が減少
し120の電圧は上昇する。すると12のゲート・ソー
ス間電圧が低下して12の電流が減少することで121
の電圧は低下する。その結果出力120と121に差動
電圧dVに対して増幅された電圧差が現れる。
【0004】一方初期状態から110の電圧がdVだけ
低い電圧になった場合は10のゲート・ソース間電圧が
低下して10の電流が減少する。120はほとんど変化
しないため12の電流は変わらず、121の電圧が上昇
する。この場合も出力120と121に前とは逆位相の
増幅された電圧差が得られる。
【0005】従来のセンスアンプではカレントミラー負
荷を構成するMOSFET12、13のゲートは共に片
側の出力120に接続されており非対称である。そのた
め出力電圧も非対称になり、特にMOSFET13の電
流は120の電圧が低下すると増加し、逆に120の電
圧が上昇すると減少して電圧変化を抑えるため121に
比べて120の電圧変化は少ない。
【0006】図6は従来のセンスアンプの入出力電圧特
性を示している。入力電圧はaとbであり、aを一定値
に保ちbを低下させた場合を表している。図5の110
にaを入力し111にbを入力したときの出力120を
c、121をdで示してある。また、111にaを入力
し110にbを入力したときの121をe,120をf
で示してある。図6のように従来のセンスアンプの入出
力電圧特性は変化する入力側により出力電圧に大きな違
いがあり、非対称の特性になっていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のカ
レントミラー型センスアンプは入力信号の極性により出
力電圧のレベルが違っていたためスタティック型メモリ
の読みだしデータによってセンスアンプの出力電圧レベ
ルが違っていた。さらにカレントミラー負荷を構成する
2つのMOSFETのゲートが共に片側の出力線に接続
されているため出力線の負荷容量にも差があり、データ
の極性で増幅スピードにも差が生じていた。これにより
メモリのアクセスタイムがデータ極性で変わったり、動
作電源電圧が電圧マージンの少ない方のデータ極性で制
約され低電源電圧における動作が困難であった。
【0008】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、入力信号の極性によらず対称な出力電
圧とスピードを持ったセンスアンプを実現することを目
的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のセンスアンプ回
路は 相補のデータを出力する出力線対に対称に接続し
た2組のカレントミラー負荷手段と、前記出力線対にス
イッチ制御を行う第1のトランジスタと差動信号を入力
する第2のトランジスタを直列接続した駆動手段とから
なり、少なくとも2組以上のデータ入力線対に対して各
々前記駆動手段を備え、前記第1のトランジスタにより
前記データ入力線対のうちの1組を選択して信号増幅を
行うことを特徴とする。
【0010】さらに、前記出力線対に電圧が一定値以上
に変化しないようクランプ手段を備えたことを特徴とす
る。
【0011】
【0012】
【作用】本発明は以上の構成を有するのでカレントミラ
ー負荷が両方の出力線に対称に接続されているため、2
つの入力線のうちいずれの電圧変化が起こった場合も非
反転出力線、反転出力線の両方に電圧変化をもたらし、
入力の極性に依存しない対称な出力電圧を得ることがで
きる。また、2つの出力線の負荷容量も等しくできる。
【0013】
【実施例】図1は本発明に係る第1の実施例を示すスタ
ティック型メモリの読みだし回路である。センスアンプ
は1段目のセンスアンプ1と2段目のセンスアンプ2が
直列に接続されている。1においてPチャネルMOSF
ET12、13、14、15はカレントミラー負荷部分
で、相補の入力信号110、111を受けるNチャネル
MOSFET10、11と制御信号SA1を入力する1
6が駆動部分である。カレントミラー負荷は12、13
のゲートが出力120に接続され、14、15のゲート
が出力121に接続されている。従って相補の出力12
0、121につながる負荷回路は同一に構成されており
出力の負荷容量も等しくなる。2段目のセンスアンプ2
も1と同じ構成であり、メモリセルから出力回路4まで
の微弱な信号を増幅または伝達する区間における構成上
のアンバランスは存在しない。このセンスアンプ1、2
は相補の入力信号のうちどちらが変化しても出力12
0、121に対称な電圧レベルを得ることができる。例
えばセンスアンプ1で入力110、111に同じ電圧が
印加されて出力120、121が同電位の状態から、1
11がdVだけ低くなったとすると11のゲート・ソー
ス間電圧が低下することで11の電流が減少して120
の電圧が上昇する。すると12のゲート・ソース間電圧
が低下して12の電流が減少して121の電圧が低下す
る。一方110の電圧がdVだけ低くなった場合も同様
にして10により121の電圧が上昇し、14によって
120の電圧が低下する。図4はこのセンスアンプの入
出力電圧特性を表している。入力電圧はaとbであり、
aを一定値に保ちbを低下させた場合を表している。1
10にaを入力し111にbを入力したときの120を
c、121をdで示してある。また、111にaを入力
し110にbを入力したときの121をe,120をf
で示してある。cとe、dとfは一致しており、センス
アンプの入出力電圧特性は変化する入力側に依存しない
で対称な出力電圧が得られている。
【0014】図2は本発明に係る第2の実施例を示すス
タティック型メモリの読みだし回路である。共通データ
線110、111を含む1が1段目のセンスアンプであ
る。カレントミラー負荷部分は4つのPチャネルMOS
FET12、13、14、15を使用して対称に接続し
てある。スイッチ制御のMOSFET16、17とデー
タ信号入力のMOSFET10、11の駆動部分をビッ
ト線対ごとに置いている。ビット線対の選択はスイッチ
制御のMOSFETに列選択信号Y0〜Ynを入力して
共通データ線110、111とデータ信号入力のMOS
FETを接続することで行われる。ビット線と共通デー
タ線をMOSFETのゲートを介して分離することでメ
モリセルが直接駆動する負荷容量が減り、読みだしデー
タが高速にビット線上に現れる。1段目のセンスアンプ
の出力線110、111は容量の大きなバスラインにな
るが、本発明の対称な出力特性、速度を持ったセンスア
ンプを使用することで正確な安定した差動電圧を2段目
のセンスアンプ2に伝送することができる。センスアン
プ2では入力感度の最適ポイントを1つに絞ることがで
きる。図1の場合に比べてメモリセルの負荷容量として
集中していたものがセンスアンプの負荷容量として分配
されることでアクセスタイムは高速化できる。2段目の
センスアンプ2でも対称なカレントミラー負荷を使用し
て出力回路4までデータ極性によらず同電圧、同速度で
伝達される。センスアンプ1、2は感度が高いため各々
の入力信号が最終レベルに到達する前に次段の回路にデ
ータを伝送している。そしてデータが伝送された後もさ
らなる増幅動作が行われている。例えば電源電圧5Vの
とき2段目のセンスアンプでは入力110、111に1
〜2Vの電圧差があれば出力130、131はほぼ電源
電圧から接地電圧まで増幅できる。従って共通データ線
110、111に2V以上の電位差は必要ない。図2で
は不必要な電圧振幅をなくすためにMOSFET18、
19からなる電圧クランプ回路が入っている。ここで1
10に低レベルのデータが現れて電圧が低下したとする
とMOSFETのしきい値電圧で19が導通し、電圧が
低くなるほど導通電流が増加して電圧の低下が妨げられ
る。このように容量が大きく電圧変化に時間のかかる共
通データ線の電圧振幅を制限することで次のデータの読
みだしが速やかに行われるようになる。
【0015】スタティック型メモリの集積化が進むと行
選択線の負荷容量が増加するためメモリセルを複数のブ
ロックに分けることが一般に行われている。このときブ
ロックごとにセンスアンプを置き、出力回路につながる
共通データ線を駆動する。しかしこのデータ線が長くな
り、配線遅延が増加する。図3は本発明に係る第3の実
施例を示すスタティック型メモリの読みだし回路であ
る。この実施例では第1の共通データ線110、111
を対称なカレントミラー負荷12、13、14、15を
使ったセンスアンプ1で駆動すると共に、第2の共通デ
ータ線120、121も同じ構成のセンスアンプ2で駆
動する。さらにNチャネルMOSFET18、19、2
8、29からなる電圧クランプ回路を置いている。これ
により負荷容量の大きな第1、第2の共通データ線の電
圧振幅を制限することで、次のデータ読みだしに要する
時間を短縮するとともに無駄な充放電電流をなくす。小
振幅のデータ伝送を高速、安定に行うには対称な増幅特
性を持ち、容量アンバランスのないセンスアンプが必要
であり、本発明のセンスアンプを使用することで実現可
能になる。最終的な信号増幅は出力回路4の手前の3段
目のセンスアンプ3で行われる。
【0016】以上の実施例ではセンスアンプの信号入力
にNチャネルMOSFET、カレントミラー負荷にPチ
ャネルMOSFETを使用しているが、MOSFETの
導電形を逆にして構成することも可能である。また、ス
タティック型メモリの信号増幅器に限らず、電圧比較器
などセンスアンプ回路を使用した回路全般に本発明を適
用することができる。電圧クランプ手段もデータ線と接
地線の間に置いて接地線を基準とした電圧でクランプし
たり、MOSFETの代わりにダイオードを使用しても
よい。
【0017】
【発明の効果】本発明のセンスアンプにより入力のデー
タ極性に対して出力電圧、速度が対称な増幅信号が得ら
れる。これによりデータ極性による電圧マージンが等し
くなるため動作電圧マージンを広くとることができ、広
い電源電圧で動作が可能になる。
【0018】データ信号のバスラインに対称かつ共通の
カレントミラー負荷を使って直接センスアンプで駆動す
ることにより素子数を減らし、特性のばらつきを抑える
ことができる。それによりノイズに強く安定した動作の
メモリを実現できる。
【0019】メモリセルから出力回路までの信号振幅少
なくすることで次のデータの読みだしに要する時間を短
縮し、配線の充放電電流を減らすことができ、高速、低
消費電流のメモリを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるセンスアンプを使用したスタティ
ック型メモリの第1の実施例を示す回路図。
【図2】本発明によるセンスアンプを使用したスタティ
ック型メモリの第2の実施例を示す回路図。
【図3】本発明によるセンスアンプを使用したスタティ
ック型メモリの第3の実施例を示す回路図。
【図4】本発明によるセンスアンプの入出力電圧特性を
示す特性図。
【図5】従来のセンスアンプを使用したスタティック型
メモリを示す回路図。
【図6】従来のセンスアンプの入出力電圧特性を示す特
性図。
【符号の説明】
1、2、3 センスアンプ 4 出力回路 18、19、28、29 クランプ回路 100、101 ビット線 110、111 第1の共通データ線 120、121 第2の共通データ線

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相補のデータを出力する出力線対に対称
    に接続した2組のカレントミラー負荷手段と、前記出力
    線対にスイッチ制御を行う第1のトランジスタと差動信
    号を入力する第2のトランジスタを直列接続した駆動手
    段とからなり、少なくとも2組以上のデータ入力線対に
    対して各々前記駆動手段を備え、前記第1のトランジス
    タにより前記データ入力線対のうちの1組を選択して信
    号増幅を行うことを特徴とするセンスアンプ回路。
  2. 【請求項2】 請求項記載のセンスアンプ回路におい
    て、前記出力線対に電圧が一定値以上に変化しないよう
    クランプ手段を備えたことを特徴とするセンスアンプ回
    路。
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