KR100866120B1 - A sense amplifier - Google Patents
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Abstract
센스 증폭기의 입력부를 구성하는 트랜지스터를 채널의 크기에 미리 편차를 두어 설계함으로써 증폭 효과를 극대화시킨 센스 증폭기가 개시된다. 본 발명에서와 같이 입력부 트랜지스터의 채널 크기에 미리 편차를 두면 공정 변수에 대해서도 센스 증폭기 전체적으로 오동작할 가능성이 매우 적어진다. 본 발명에 의한 센스 증폭기는 제1 입력단자가 게이트에 인가되는 제1 트랜지스터와 제2 입력단자가 게이트에 인가되는 제2 트랜지스터가 차동 증폭을 하는 제1 입력부와, 제1 입력단자가 게이트에 인가되는 제3 트랜지스터와 제2 입력단자가 게이트에 인가되는 제4 트랜지스터가 차동 증폭을 하는 제2 입력부로 이루어진다. 이 때 제1 트랜지스터의 채널은 제2 트랜지스터의 채널보다 크기가 크고, 제3 트랜지스터의 채널은 제4 트랜지스터의 채널보다 크기가 작도록 설계된다. Disclosed is a sense amplifier that maximizes an amplification effect by designing a transistor constituting an input portion of a sense amplifier by varying the size of a channel in advance. As in the present invention, if the channel size of the input transistor is deviated in advance, it is very unlikely that the sense amplifier as a whole malfunctions with respect to process variables. According to an embodiment of the present invention, a sense amplifier includes a first input unit for differentially amplifying a first transistor having a first input terminal applied to a gate and a second transistor having a second input terminal applied to a gate, and a first input terminal applied to a gate The third transistor and the fourth transistor, to which the second input terminal is applied to the gate, comprise a second input unit for differential amplification. At this time, the channel of the first transistor is larger than the channel of the second transistor, the channel of the third transistor is designed to be smaller than the channel of the fourth transistor.
센스 증폭기, 공정 변수, 입력부, 트랜지스터, 채널, 차동 증폭Sense amplifiers, process variables, inputs, transistors, channels, differential amplification
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 센스 증폭기의 회로도. 1 is a circuit diagram of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 센스 증폭기에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자에서 메모리 셀에 저장되어 있는 데이터를 읽어 이것을 증폭하여 주는 증폭기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sense amplifier, and more particularly, to an amplifier that amplifies the data stored in a memory cell in a semiconductor device.
메모리 셀에서 출력되어 비트라인(bit, bitb)에 걸리는 데이터는 그 크기가 작으므로 미세한 전압차를 센싱해서 증폭해주는 센스 증폭기를 필요로 한다. 메모리 셀에 저장된 데이터를 확실하게 감지하고 증폭하여 그 값을 외부에 연결시켜 주는 센스 증폭기는 다이내믹 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory : 이하 "DRAM"이라고 함)의 가장 중요한 핵심 회로 중의 하나로서, 센스 증폭기에 요구되는 사항으로서는 ⅰ) 고감도, ⅱ) 고속 동작, ⅲ) 넓은 전원 전압 동작 범위, ⅳ) 저소비 전력, ⅴ) 작은 면적 소모 등을 들 수 있다. 센스 증폭기는 통상 차동 증폭기 구조로 입력부를 구성하며, 공정 변수에 영향을 많이 받지 않고 비트라인에 걸리는 전압차를 정확하게 증폭하기 위하여 입력부의 차동 증폭기를 구성하는 트랜지스터는 긴 채널을 갖도록 설계된다. Since the data output from the memory cell and the bit line (bit, bitb) is small in size, a sense amplifier that senses and amplifies a minute voltage difference is required. The sense amplifier, which reliably detects, amplifies, and connects the data stored in the memory cell to the outside, is one of the most important core circuits of dynamic random access memory (DRAM). The requirements for the amplifier include i) high sensitivity, ii) high speed operation, i) wide operating voltage supply range, i) low power consumption and i) small area consumption. A sense amplifier is usually configured with an input structure in a differential amplifier structure. In order to accurately amplify the voltage difference across a bit line without being affected by process variables, a transistor constituting a differential amplifier of an input part is designed to have a long channel.
그러나 긴 채널을 갖도록 입력부의 트랜지스터를 설계하면 메모리 셀의 집적도를 높이는 데 불리하며, 때로는 공정 변수에 따라 증폭 능력이 변화하여 센스 증폭기 전체적으로 오동작하는 경우도 발생할 수 있다. 또한 반도체 소자 제조에 어려움이 생길 수 있고, 그 증폭 능력이 제한되는 문제점이 있다. However, designing transistors at the inputs to have long channels is disadvantageous in increasing the density of memory cells. Sometimes, the amplification capability changes depending on process variables, and thus the entire sense amplifier may malfunction. In addition, there may be difficulties in manufacturing a semiconductor device, and the amplification ability thereof is limited.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 공정 변수에 둔감한 센스 증폭기를 제공하는 것을 일 목적으로 한다. 또한 극대화된 증폭 효과를 갖는 센스 증폭기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. The present invention has been proposed to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a sense amplifier insensitive to process variables. It is also another object to provide a sense amplifier with a maximized amplification effect.
이러한 목적과 관련하여 센스 증폭기의 입력부를 구성하는 트랜지스터의 채널의 크기에 미리 편차를 두어 설계함으로써 증폭 효과를 극대화시킨 센스 증폭기가 개시된다. 본 발명에서와 같이 입력부 트랜지스터의 채널 크기에 미리 편차를 두면 공정 변수에 대해서도 센스 증폭기 전체적으로 오동작할 가능성이 매우 적어진다. In connection with this purpose, a sense amplifier is disclosed which maximizes an amplification effect by designing the channel size of a transistor constituting an input of a sense amplifier in advance. As in the present invention, if the channel size of the input transistor is deviated in advance, it is very unlikely that the sense amplifier as a whole malfunctions with respect to process variables.
본 발명에 의한 센스 증폭기는 제1 입력단자가 게이트에 인가되는 제1 트랜지스터와 제2 입력단자가 게이트에 인가되는 제2 트랜지스터가 차동 증폭을 하는 제1 입력부와, 제1 입력단자가 게이트에 인가되는 제3 트랜지스터와 제2 입력단자가 게이트에 인가되는 제4 트랜지스터가 차동 증폭을 하는 제2 입력부로 이루어진다. 이 때 제1 트랜지스터의 채널은 제2 트랜지스터의 채널보다 크기가 크고, 제3 트랜지스터의 채널은 제4 트랜지스터의 채널보다 크기가 작도록 설계된다. According to an embodiment of the present invention, a sense amplifier includes a first input unit for differentially amplifying a first transistor having a first input terminal applied to a gate and a second transistor having a second input terminal applied to a gate, and a first input terminal applied to a gate The third transistor and the fourth transistor, to which the second input terminal is applied to the gate, comprise a second input unit for differential amplification. At this time, the channel of the first transistor is larger than the channel of the second transistor, the channel of the third transistor is designed to be smaller than the channel of the fourth transistor.
바람직하게는, 제1 트랜지스터의 드레인에 걸리는 전압을 그대로 출력하고, 제4 트랜지스터의 드레인에 걸리는 전압을 반전하여 출력하는 래치부를 더 포함한다.The latch circuit may further include a latch unit configured to output the voltage applied to the drain of the first transistor as it is, and to invert and output the voltage applied to the drain of the fourth transistor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 설명의 일관성을 위하여 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소 및 신호를 가리키는 것으로 사용한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; In the drawings, the same reference numerals are used to refer to the same or similar components and signals for the sake of consistency of description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 센스 증폭기의 회로도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 센스 증폭기(100)는 차동 증폭기(differential amplifier)를 구성되는 2개의 입력부(110, 120)로 이루어진다. 입력부(110)에서는 2개의 NMOS 트랜지스터(N1, N2)가 차동증폭기를 구성하고 있는데, 비트라인(bit)의 신호가 게이트에 인가되는 NMOS 트랜지스터(N1)는 비트라인(bitb)의 신호가 게이트에 인가되는 NMOS 트랜지스터(N2)에 비해 채널 폭(channel width)이 넓다. 입력부(120)에서도 2개의 NMOS 트랜지스터(N3, N4)가 차동증폭기를 구성하고 있는데, 비트라인(bit)의 신호가 게이트에 인가되는 NMOS 트랜지스터(N3)는 비트라인(bitb)의 신호가 게이트에 인가되는 NMOS 트랜지스터(N4)에 비해 폭이 좁다. 즉, 채널의 단차가 반대인 2개의 입력부(110, 120)가 입력단(bit, bitb)에 대해 병렬로 연결되어 있는 구조이다. 본 실시예에서는 트랜지스터(N1, N2, N3, N4)의 채널 길이(channel length)를 고정하고 채널 폭(channel width)만을 제어하고 있으나, 채널 폭을 고정하고 채널 길이를 제어할 수도 있다. 도 1에서 신호(pse1i)는 센스 증폭 여부를 제어하는 인에이블 신호이고, 신호(pse2i)는 센스 증폭 결과의 출력 여부를 제어하는 인에이블 신호이다. 1 is a circuit diagram of a sense amplifier according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
도 1을 참조하여 센스 증폭기(100)의 동작을 이하에서 설명한다. 설명의 편의를 위해 혼동의 위험이 없는 한 비트라인(bit)에 인가된 신호를 bit로, 비트바라인(bitb)에 인가된 신호를 bitb로 표시한다. 신호(bit, bitb)는 센스 증폭기(100)의 입력신호를 구성한다. 먼저 신호(bit)가 하이 레벨이고, 신호(bitb)가 로우 레벨인 경우를 살펴본다. 이 경우 입력부(110)의 트랜지스터(N1, N2)의 채널이 입력신호(bit, bitb)에 대해 정상적인 편차를 갖는다. 신호(bit)에 의해 트랜지스터(N1)가 턴온 되므로 노드(nd1)는 로우 레벨로 되며, 신호(bitb)에 의해 트랜지스터(N2)가 턴오프 되므로 노드(nd2)는 하이 레벨로 된다. 노드(nd1)의 신호는 인에이블 신호(pse2i)가 하이 레벨인 동안 패스 게이트(T0)를 경유하여 인버터(I18)에 입력되고, 인버터(I18)에 의해 반전되어 하이 레벨의 신호(sense_out)를 출력한다. 래치부(130)는 노드(nd1)의 로우 레벨 신호를 유지한다. 한편 입력부(120)의 노드(nd3)는 노드(nd1)보다 구동 능력이 떨어져 래치부(130)에 래치된 데이터의 레벨을 바꾸지 못한다. 이와 같이 신호(bit)가 하이 레벨이고 신호(bitb)가 로우 레벨인 경우, 입력부(110)와 래치부(130)를 경유하여 하이 레벨의 신호(sense_out)가 출력된다. An operation of the
다음에 신호(bit)가 로우 레벨이고, 신호(bitb)가 하이 레벨인 경우를 살펴본다. 이 경우 입력부(120)의 트랜지스터(N3, N4)의 채널이 입력신호(bit, bitb)에 대해 정상적인 편차를 갖는다. 신호(bit)에 의해 트랜지스터(N3)가 턴오프 되므로 노드(nd4)는 하이 레벨로 되며, 신호(bitb)에 의해 트랜지스터(N4)가 턴온 되므로 노드(nd3)는 로우 레벨로 된다. 노드(nd3)의 신호는 래치부(130)의 인버터(I19)에 의해 반전되어 패스 게이트(T0)로 입력된다. 이렇게 입력된 신호는 인에이블 신호(pse2i)가 하이 레벨인 동안 패스 게이트(T0)를 경유하여 인버터(I18)에 입력되고, 인버터(I18)에 의해 반전되어 로우 레벨의 신호(sense_out)를 출력한다. 래치부(130)는 노드(nd3)의 로우 레벨 신호를 유지한다. 한편 입력부(110)의 노드(nd1)는 노드(nd3)보다 구동 능력이 떨어져 래치부(130)에 래치된 데이터의 레벨을 바꾸지 못한다. 이와 같이 신호(bit)가 로우 레벨이고 신호(bitb)가 하이 레벨인 경우, 입력부(120)와 래치부(130)를 경유하여 로우 레벨의 신호(sense_out)가 출력된다. Next, the case where the signal bit is at the low level and the signal bitb is at the high level will be described. In this case, the channels of the transistors N3 and N4 of the
신호(bit)가 하이 레벨이고 신호(bitb)가 로우 레벨인 경우 입력부(110)에서는 증폭 감도가 최적화되며, 입력부(120)에서는 오히려 증폭 감도가 떨어지거나 오히려 반대로 증폭될 수 있다. 반면 신호(bit)가 로우 레벨이고 신호(bitb)가 하이 레벨인 경우 입력부(120)에서 증폭 감도가 최적화되며, 입력부(110)에서는 오히려 증폭 감도가 떨어지거나 오히려 반대로 증폭될 수 있다. 따라서 신호(bit)가 하이 레벨이고 신호(bitb)가 로우 레벨인 경우는 입력부(110)를 사용하여 증폭하고, 신호(bit)가 로우 레벨이고 신호(bitb)가 하이 레벨인 경우는 입력부(120)를 사용하여 증폭하므로써 센스 증폭기(100)에 의한 증폭 효과를 극대화시키는 것이다. When the signal bit is at a high level and the signal bitb is at a low level, the amplification sensitivity is optimized at the
여기서 설명된 실시예들은 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 따라서 당업자들은 본 발명의 범위 안에서 다양한 변형이나 변경이 가능함을 주목하여야 한다. 본 발명의 범위는 원칙적으로 후술하는 특허청구범위에 의하여 정하여진다.The embodiments described herein are merely intended to enable those skilled in the art to easily understand and practice the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. Therefore, those skilled in the art should note that various modifications or changes are possible within the scope of the present invention. The scope of the invention is defined in principle by the claims that follow.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 센스 증폭기는 공정 변수에 둔감하면서도 극대화된 증폭 효과를 갖게 된다. The sense amplifier of the present invention having such a configuration is insensitive to process variables and has an maximized amplification effect.
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