KR102446853B1 - 더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법 - Google Patents

더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법은 감지 인버터의 트립 전압(trip voltage) 변동성에 출력(Q) 값이 영향을 받지 않도록 하기 위한 오토 제로 방식과 센싱 마진을 크게 증가시켜 센싱 시간을 감소시키는 효과가 있다.

Description

더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법{Non Volatile Flip-Flop Using Double Sensing Margin and Method for Operating Thereof}
본 발명은 비휘발성 플립플롭에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오토 제로 방식과 센싱 마진을 크게 증가시킨 더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
디지털 시스템은 데이터를 저장하고 사용하는 저장 회로인 플립플롭(Flip Flop)을 광범위하게 이용하고 있다.
IoT(Internet of Things)는 액티브 모드(Active Mode)와 스탠바이 모드(Standby Mode) 중에서 대부분 스탠바이 모드에 있다. 이러한 이유로 스탠바이 모드에서 전력 소모를 줄이는 것이 중요하다.
IoT는 스탠바이 모드에서 휘발성(Volatile) 플립플롭을 이용해 스탠바이 모드동안 데이터를 플립플롭에 저장할 수 있으나, 전력을 완전히 정지한 게 아니므로 휘발성 플립플롭의 누설 전류로 인해 스탠바이 모드에서 전력을 소모하는 단점이 있다.
스탠바이 모드에서 전력 소모를 해결하기 위해서는 전원 전압이 차단되더라도 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성 플립플롭(Non-Volatile Flip Flop)의 필요성이 대두되고 있다.
비휘발성 플립플롭은 데이터를 저장하는 소자에 따라 여러 종류가 있으며, 자기 터널 집합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자를 사용한 플립플롭이 대표적인 회로 중 하나이다.
최근 떠오르는 쟁점은 속도에 손해가 있지만 에너지 효율성을 높이고 전력 소모를 줄이기 위해서 공급 전압을 낮춰서 니어 쓰레스홀드 볼티지(Near Threshold Voltage, NTV) 영역에서 동작하는 것이다.
비휘발성 플립플롭은 공급 전압이 낮아질수록 프로세스 변동성이 증가하기 때문에 비휘발성 소자에 저장된 데이터를 복구하기가 어렵다.
비휘발성 플립플롭은 프로세스 변동성의 영향을 받지 않고, 데이터를 복구하기 위해서 트랜지스터의 사이즈를 상당히 증가시켜야 하고, 이에 따라 전체 디지털 시스템의 면적이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
도 1은 종래의 비휘발성 플립플롭의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 1과 같은 기존의 플립플롭의 예에서, 플립플롭 전체 회로의 전력 소모를 낮추기 위해 전원(Vdd) 전압을 낮춘다면, 감지 인버터(PSEN1, NSEN, PSEN2) 변동성(variation)이 커진다. 이러한 감지 인버터(PSEN1, NSEN, PSEN2) 변동성은 동일한 입력에 동일한 출력을 기대하기 어렵게 하며, 만일, 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자 MTJA, MTJB의 저항값 간의 크기 차이가 작다면 감지 오류(sensing fail)가 발생할 수 있다.
또한, 이와 같은 감지 인버터(PSEN1, NSEN, PSEN2) 변동성이 크면, 트립 전압(trip voltage)이 변동한다. 트립 전압(trip voltage)은 감지 인버터(PSEN1, NSEN, PSEN2)의 입력단(X) 전압과 출력 전압이 같아지는 지점의 전압으로서, 입력 값이 출력으로 반전될 때 기준이 되는 지점이다. 예를 들면, Vdd = 1V 기준에서 trip voltage가 0.5V라면 인버터의 입력이 0.4V가 인가되면 trip voltage 보다 낮기 때문에 반전되어 인버터의 출력이 1V가 된다. 하지만, 출력의 변동성에 의해 trip voltage 가 0.3V가 된다면 동일한 입력 0.4V가 인가되면 trip voltage보다 높기 때문에 출력이 0V가 되는 문제점이 발생한다.
한국 등록특허번호 제10-1808409호
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 감지 인버터의 트립 전압(trip voltage) 변동성에 출력(Q) 값이 영향을 받지 않도록 하기 위한 오토 제로 방식과 센싱 마진을 크게 증가시켜 센싱 시간을 감소시키는 더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭 및 이의 동작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 비휘발성 플립플롭은,
마스터 래치 및 슬레이브 래치를 포함하는 플립플롭부;
쓰기모드에서 상기 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 출력노드(Y)로 출력하는 저장부;
상기 감지모드에서 입력노드(inx)의 상태에 따른 반전신호를 출력하는 감지 인버터; 및
상기 저장부의 출력노드(X)와 상기 감지 인버터의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 비휘발성 플립플롭은,
마스터 래치 및 슬레이브 래치를 포함하는 플립플롭부;
쓰기모드에서 상기 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 출력노드(Y)로 출력하는 저장부;
스위치를 구비하고, 상기 감지모드에서 입력노드(inx)의 상태에 따른 반전신호를 출력하는 감지 인버터; 및
상기 저장부의 출력노드(X)와 상기 감지 인버터의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터를 포함하며, 상기 MTJ 소자는 제1 MTJ와 제2 MTJ로 이루어져 있고,
상기 저장부는 상기 제1 MTJ와 상기 제2 MTJ 사이의 접점에 상기 커패시터를 연결하고, 상기 스위치를 온시키면, 상기 저장부의 출력노드(X)는 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA) > 상기 제1 MTJ의 제2 저항(RB)인 상태에서, 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA)과 상기 제1 MTJ의 제2 저항(RB)의 전압분배법칙에 의해
Figure 112020100135578-pat00001
전압인 하이 전압(VH)이 사전 설정(Preset)되며, 상기 감지 인버터의 입력 전압(inx)과 출력 전압(Y)을 같게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 슬립모드에서 플립플롭의 정보를 보존하는 비휘발성 플립플롭의 동작 방법은,
쓰기모드에서 상기 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 출력노드(Y)로 출력하는 저장부와 상기 감지모드에서 입력노드(inx)의 상태에 따른 반전신호를 출력하는 감지 인버터 및 상기 저장부의 출력노드(X)와 상기 감지 인버터의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터를 포함하고,
상기 저장부는 쓰기모드에서 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하는 단계;
감지모드 중에 리셋신호에 의해 상기 감지 인버터에 결합된 스위치를 온시켜 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)와 출력노드(Y)를 연결시키는 단계;
상기 저장부는 상기 상기 감지모드 중에 감지인에이블신호에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 상기 저장부의 출력노드(X)로 출력하고, 상기 커패시터를 이용하여 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)로 전달하는 단계; 및
상기 감지 인버터는 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)로 전달된 신호의 반전신호를 출력노드(Y)로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 비휘발성 플립플롭의 오토 제로잉 모드와 감지모드에서 저장부의 출력노드(X)의 전압 변화량을 크게 하여 센싱 마진(Sensing Margin)을 2배로 증가시키며, 이에 따라 감지모드의 센싱 시간이 줄어드는 효과가 있다.
본 발명은 전원 전압을 낮추어 구동하여도 감지 인버터의 트립 전압(trip voltage) 변동성에 출력(Q) 값이 영향을 받지 않으므로, 데이터 복원성과 신뢰성이 향상된 플립플롭을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 오토 제로(auto-zeroing)의 옵셋 차단(offset cancellation) 특성과 더블 센싱 마진으로 인해 데이터 복원성 4시그마에 쉽게 도달할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 비휘발성 플립플롭의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 비휘발성 플립플롭의 동작 설명을 위한 타이밍도이다.
도 4는 감지 인버터(160)의 입력(inx) 전압에 대한 출력(Y) 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 오토 제로잉(Auto Zeroing) 모드를 나타낸 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 감지모드를 나타낸 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 전압 변화량에 의한 감지 인버터의 출력 전압을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭의 회로도를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 비휘발성 플립플롭의 동작 설명을 위한 타이밍도이고, 도 4는 감지 인버터(160)의 입력(inx) 전압에 대한 출력(Y) 그래프를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 오토 제로잉(Auto Zeroing) 모드를 나타낸 회로도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 감지모드를 나타낸 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 더블 센싱 마진을 이용한 비휘발성 플립플롭(100)은 마스터 래치(110) 및 슬레이브 래치(120)로 이루어진 플립플롭부(130), 저장부(140), 커패시터(CEQ)(150), 감지 인버터(160) 및 출력부(170)를 포함한다. 회로에서 게이트에 작은 서클이 있는 것은 P형 MOSFET이고, 작은 서클이 없는 것은 N형 MOSFET이다.
본 발명의 비휘발성 플립플롭(100)은 감지 인버터(160)의 트립 전압(Trip Voltage) 변동성에 출력값(Q)이 영향을 받지 않도록 하는 오토 제로잉(Auto Zeroing) 모드와, 센싱 마진(Sensing Margin)을 증가시켜 목표 복원 수율(Target Restore Yield)을 만족하면서 센싱 타임을 짧게 하는 감지모드를 수행할 수 있다.
플립플롭부(130)는 입력 데이터 신호(D)를 반전클럭신호(/CLK)의 액티브(activation)에 따라 마스터 래치(110)에 저장하였다가 비반전클럭신호(CLK)의 액티브에 따라 슬레이브 래치(120)의 출력노드(B)를 통해 출력하고 다시 출력부(170)를 통해 버퍼링하여 최종출력노드(Q)로 출력한다.
마스터 래치(110)와 슬레이브 래치(120)는 클럭신호(CLK, /CLK)를 받는 2개의 전송게이트 및 2개의 인버터를 포함한다. 이와 같은 마스터 래치(110)와 슬레이브 래치(120)를 포함하는 D 플립플롭 동작에 대하여는 잘 알려져 있으므로 그 동작에 대하여는 설명을 생략한다.
출력부(170)는 슬레이브 래치(120)의 출력노드(B)에 대한 버퍼링을 통해 위한 반전출력신호(/Q)와 비반전출력신호(Q)를 출력하기 위한 인버터들을 포함한다.
또한, 이 인버터들은 감지모드에서 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 감지 인버터(160)가 저장부(140)에 저장된 정보를 읽어서 출력노드(Y)를 통해 출력하는 신호에 대해 2개의 전송게이트로 전달받은 신호를 버퍼링하여 출력한다.
2개의 전송게이트 중 하나는 감지인에이블신호(SE)의 로직 로우(logic low) 상태에서 슬레이브 래치(120)의 인버터(PL1, NL1) 출력과 인버터(PL2, NL2) 입력을 연결시킨다.
본 발명의 실시예의 비휘발성 플립플롭(100)은 저장부(140)의 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자(141, 142)에 플립플롭부(130)의 정보, 즉, 최종출력노드(Q)의 정보를 저장하기 위한 쓰기(write)모드, 동작전원(VDD)이 차단되는 슬립(sleep)모드, 저장부(140)에 저장된 정보를 읽기 위한 감지모드로 동작할 수 있다. 본 발명의 비휘발성 플립플롭(100)은 쓰기모드에서 저장부(140)에 저장된 정보가 슬립모드에서도 보존되어 슬립모드 후에도 감지모드에서 저장부(140)에 저장된 정보를 읽어낼 수 있다.
이와 같이, 저장부(140)는 쓰기모드에서 플립플롭부(130)의 출력 정보(Q)를 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 저장된 정보를 출력노드(X)로 출력한다.
저장부(140)는 쓰기모드에서 정보의 저장(쓰기)을 위한 쓰기인에이블신호(WE)의 제어에 따라 플립플롭부(130)의 출력 정보(Q)의 상태값(로직하이, /로직로우)을 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 저장하기 위한 논리 회로 및 정보의 읽기(센싱)를 위한 감지인에이블신호(SE, /SE)의 제어에 따라 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 저장된 정보를 출력노드(X)로 출력하기 위한 논리 회로를 포함한다.
예를 들어, 쓰기인에이블신호(WE)가 액티브(로직하이)되면, 플립플롭부(100)의 출력 정보(Q)가 로직하이인 경우(WE=1, Q=1), 로직회로에 따라 트랜지스터 PW2, NW1가 턴온되어 직렬연결된 MTJA(141)와 MTJB(142)에 각각 높은 저항과 낮은 저항으로 변화되면서, 도 3과 같은 저항값으로 출력 정보(Q)에 대응되는 정보를 저장하게 된다.
또한, 쓰기인에이블신호(WE)가 액티브(로직하이)되면, 플립플롭부(130)의 출력 정보(Q)가 로직로우인 경우(WE=1, Q=0), 로직회로에 따라 트랜지스터 PW1, NW2가 턴온되어 직렬연결된 MTJA(141)와 MTJB(142)에 각각 낮은 저항과 높은 저항으로 변화되면서, 도 3과 반대의 저항값으로 출력 정보(Q)에 대응되는 정보를 저장한다.
저장부(140)는 MTJA(141), MTJB(142), Pw1(144), Nw1(145), Pw2(146), Nw2(147)를 포함하고, Pw1(144), Nw1(145), Pw2(146), Nw2(147)의 입력 단자에 하나 이상의 부정 논리곱(NAND) 및 부정 논리합(NOR)을 포함한 논리게이트의 논로 회로를 전기적으로 연결되어 있다.
MTJA(141)는 P형 MOSFET인 Pw1(144)과 N형 MOSFET인 Nw1(145)을 전기적으로 병렬 연결되고, MTJB(142)는 P형 MOSFET인 Pw2(146)와 N형 MOSFET인 Nw2(147)를 전기적으로 병렬 연결된다. 전원 전압(VDD)은 Pw1(144)과 Pw2(146)에 공급한다.
커패시터(CEQ)(150)는 저장부(140)의 출력노드(X)를 기점으로 MTJA(141)와 MTJB(142)를 전기적으로 병렬 연결된다.
MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)는 일반적인 강자성체로 구성된 고정층과 자유층 사이에 절연층이 위치한 샌드위치 구조를 가지는 자기 터널 접합 소자일 수 있다. 여기서, 전자가 강자성층/절연층/강자성층을 지날 때 강자성층의 자화 배열 상태에 따라 저항성분이 달라지며, 고정된 자화 배열을 가지는 고정층과 달리 자유층의 자화 배열은 특정 쓰기 전류에 따라 자화배열 상태가 바뀔 수 있다.
고정층과 자유층의 자화 배열 상태가 같은 방향일 경우 평형 상태(Parallel, P)라고 하고, 고정층과 자유층의 자화 배열 상태가 반대 방향일 경우 비평형 상태(Anti-Parallel, AP)라고 한다. P 상태의 저항은 AP 상태에 비해 적은 저항 값을 가지며, 이 저항 차이를 이용하여 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)는 위와 같이 정보를 저장할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 감지 인버터(PSEN2, PSEN1, NSEN)(160)의 입력(inx) 전압에 대한 출력(Y) 그래프이다.
예를 들어, 감지 인버터(160)의 변동성이 있다면(도 4의 (a)), 도 4의 (b)와 같으며, VL을 입력에 인가했을 때, 감지 인버터(160)의 출력이 VDD가 아닌 VL이 출력되는 것이 문제가 있다.
따라서, 감지 인버터(160)의 변동성에 영향을 받기 않기 위해서는 도 4의 (c)와 같이, 입력(inx) 전압과 출력(Y) 전압을 같게 해준다.
도 5에 도시된 바와 같이, 비휘발성 플립플롭(100)에서의 오토 제로잉 모드(WE=0, SE=0, EQ=1, EN=1)를 수행하면 다음과 같다. 도 5는 오토 제로잉 모드를 수행하는 중요한 특징적인 회로를 진하게 표시하고, 나머지를 흐르게 표시했다.
MTJA의 저항(RA) > MTJB의 저항(RB)인 상태에서 비휘발성 플립플롭(100)에서 쓰기인에이블신호(WE)=0, 감지인에이블신호(SE)=0, 스위치(143) 온(EQ=1), EN=1의 전기적 신호를 입력하면, 저장부(140)의 출력노드(X)는 전압분배법칙에 의해
Figure 112020100135578-pat00002
전압(VH)이 한 번에 설정된다.
감지 인버터(160)는 스위치(143)를 구비하고, 스위치(143)는 비반전리셋신호(EQ), 반전리셋신호(/EQ)를 이용하여 감지 인버터(160)를 온오프시킨다.
예를 들면, RA(6kΩ)와 RB(3kΩ)이라고 가정하면, 저장부(140)의 출력노드(X)는
Figure 112020100135578-pat00003
로 한 번에 설정된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 비휘발성 플립플롭(100)에서의 오토 제로잉 모드는 스위치(143) 온(EQ=1)을 수행하는 경우, 감지 인버터(160)의 변동성 영향을 받지 않기 위해서 감지 인버터(160)의 입력 전압(inx의 전압, Vinx)과 감지 인버터(160)의 출력 전압(Y의 전압, VY)을 같게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 플립플롭모드, 쓰기모드, 슬립모드가 발생한 후 감지모드에서 동작한다고 가정할 때, 저장부(140)에 저장된 정보를 읽을 수 있다.
감지모드에서는 감지 인버터(160)를 동작시키기 위하여 전원(VDD)과 접지 사이의 3개의 직렬 연결된 트랜지스터(PSEN2, PSEN1, NSEN) 중 의 게이트(전극)에 인가되는 반전 EN 신호가 로직로우(상태)로 액티브된다(EN=1으로 반전되어 EN=0).
액티브되는 감지모드 중에 리셋신호(EQ, /EQ)에 따라 감지 인터버(160)의 입력노드(inx)와 출력노드(Y)를 도통시킨다.
이와 같은 리셋신호(EQ, /EQ)의 액티브 기간 동안, 감지인에이블신호(SE, /SE)의 액티브 전에 저장부(140)의 출력노드(X)에 전압분배법칙에 의해
Figure 112020100135578-pat00004
전압이 걸린다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비휘발성 플립플롭(100)에서의 감지모드(WE=0, SE=1, EQ=0, EN=1)를 수행하면 다음과 같다. 도 6은 감지모드를 수행하는 중요한 특징적인 회로를 진하게 표시하고, 나머지를 흐르게 표시했다.
MTJA의 저항(RA) > MTJB의 저항(RB)인 상태에서 비휘발성 플립플롭(100)에서 쓰기인에이블신호(WE)=0, 감지인에이블신호(SE)=1, 스위치(143) 오프(EQ=0), EN=1의 전기적 신호를 입력하면, 저장부(140)의 출력노드(X)는 전압분배법칙에 의해
Figure 112020100135578-pat00005
전압(VL)이 설정된다.
즉, 저장부(140)의 출력노드(X)의 전압은 VH에서 VL로 변하게 되고, 이러한 전압 변화량(VH-VL)을 캐패시터 커플링에 의해서 inx에 전달된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플립플롭(100)은 종래의 플립플롭의 전압 변화량보다 큰 전압 변화량이 감지 인버터(160)의 입력노드(inx)로 전달되며, Y 값이 더 강하게 VH 쪽에 붙게 되는 현상을 볼 수 있다.
다시 말해, 저장부(140)는 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 저장된 정보를 저장부(140)의 출력노드(X)로 출력한다.
즉, 저장부(140)의 출력노드(X)와 감지 인버터(160)의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터(Ceq)(150)는 감지인에이블신호(SE, /SE)의 액티브에 따라 출력노드(X), 즉, MTJA와 MTJB 사이의 접점의 해당 전압값을 감지 인버터(160)의 입력노드(inx)로 전달한다. 이에 따라 MTJ 소자(MTJA, MTJB)에 저장된 정보가 감지 인버터(160)의 입력노드(inx)로 전달된다.
이에 따라 감지 인버터(160)는 감지 인버터(160)의 입력노드(inx)로 전달된 신호의 반전 신호를 감지 인버터(160)의 출력노드(Y)로 출력함으로써 출력부(170)를 통해 최종출력노드(Q)를 통해 해당 로직 상태를 출력한다.
예를 들어, MTJ 소자(MTJA, MTJB)(141, 142)에 로직 하이 상태가 저장된 경우, 감지인에이블신호(SE, /SE)의 액티브에 따라, 전원(VDD), 트랜지스터 PW1, MTJA, MTJB, 트랜지스터 NW2가 직렬 연결된 회로에서 MTJA의 저항값이 MTJB의 저항값보다 크므로 저장부(140)의 출력노드(X)는 VH보다 낮은 전압 VL로 변한다.
이에 따라 감지 인버터(160)의 입력노드(inx) 전압도 낮아지면서 감지 인버터(160)의 출력노드(Y)와 출력부(170)의 최종출력노드(Q)를 로직 하이 상태로 복원된 데이터를 출력한다.
이와 반대로 MTJ 소자(MTJA, MTJB)에 로직 로우 상태가 저장된 경우에도 위와 같은 원리로, 감지인에이블신호(SE, /SE)의 액티브에 따라 감지 인버터(160)의 출력노드(Y)과 출력부(170)의 최종출력노드(Q)를 로직 로우 상태의 데이터를 성공적으로 복원할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 플립플롭의 과도 응답을 나타낸 도면이다.
본 발명의 비휘발성 플립플롭(100)은 오토 제로잉 모드와 감지모드에서 저장부(140)의 출력노드(X)의 전압이 높은 센싱 마진에 의해 감지모드의 센싱 시간이 줄어드는 장점이 있다.
센싱 시간을 줄이기 위해서는 오토 제로잉 모드에서 전압분배법칙에 의해 MTJA의 저항(RA)과 MTJB의 저항(RB)의 비에 의해 전압(VH, VL)으로 사전 설정(Preset)되며, 센싱 마진(
Figure 112020100135578-pat00006
) 에 의해 더 큰 전압 변화량이 감지 인버터(160)의 입력에 커패시터 커플링에 의해 전달되어 감지 인버터(160)의 출력이 더 빨리 나오게 되며, 이에 따라 감지모드의 센싱 시간이 감소하게 된다.
본 발명의 비휘발성 플립플롭(100)은 니어 쓰레스홀드 볼티지(Near Threshold Voltage, NTV) 영역에서 기존의 플립플롭보다 센싱 시간을 줄이고, 신뢰성 있는 수율을 구하기 위해 센싱 마진(Sensing Margin)을 2배로 증가시키는 기술입니다.
본 발명의 비휘발성 플립플롭(100)은 오토 제로잉 모드의 오프셋 캔슬링 트것과 더블 센싱 마진을 이용해 감지모드 동작의 지연을 최소화하면서 목표 복원 수율(Target Restore Yield) 4σ에 도달할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 비휘발성 플립플롭
110: 마스터 래치
120: 슬레이브 래치
130: 플립플롭부
140: 저장부
150: 커패시터(CEQ)
160: 감지 인버터
170: 출력부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 비휘발성 플립플롭에 있어서,
    마스터 래치 및 슬레이브 래치를 포함하는 플립플롭부;
    쓰기모드에서 상기 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 출력노드(X)로 출력하는 저장부;
    스위치를 구비하고, 상기 감지모드에서 입력노드(inx)의 상태에 따른 반전신호를 출력하는 감지 인버터; 및
    상기 저장부의 출력노드(X)와 상기 감지 인버터의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터를 포함하며, 상기 MTJ 소자는 제1 MTJ와 제2 MTJ로 이루어져 있고,
    상기 저장부는 상기 제1 MTJ와 상기 제2 MTJ 사이의 접점에 상기 커패시터를 연결하고, 상기 스위치를 온시키면, 상기 저장부의 출력노드(X)는 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA) > 상기 제2 MTJ의 제2 저항(RB)인 상태에서, 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA)과 상기 제2 MTJ의 제2 저항(RB)의 전압분배법칙에 의해
    Figure 112022047044265-pat00007
    전압인 하이 전압(VH)이 사전 설정(Preset)되며, 상기 감지 인버터의 입력 전압(inx)과 출력노드(Y)의 전압이 같게 되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 플립플롭.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장부는 상기 감지인에이블신호의 액티브에 따라 제1 MTJ와 제2 MTJ 사이의 접점에 연결된 상기 커패시터를 통해 상기 감지 인버터로 상기 저장된 정보를 전달하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 플립플롭.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위치를 오프시키면, 상기 저장부의 출력노드(X)는 상기 제1 MTJ의 제1 저항과 상기 제2 MTJ의 제2 저항의 전압분배법칙에 의해 상기 하이 전압보다 낮은
    Figure 112022047044265-pat00008
    전압인 로우 전압으로 사전 설정(Preset)되고, 상기 하이 전압과 상기 로우 전압의 차이인 전압 변화량을 상기 커패시터의 커플링에 의해서 상기 감지 인버터의 입력노드로 전달하여 센싱 마진(Sensing Margin)이 증가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 플립플롭.
  5. 슬립모드에서 플립플롭의 정보를 보존하는 비휘발성 플립플롭의 동작 방법에 있어서,
    쓰기모드에서 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하고, 감지모드 중에 감지인에이블신호(SE, /SE)에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 출력노드(X)로 출력하는 저장부와 상기 감지모드에서 입력노드(inx)의 상태에 따른 반전신호를 출력하는 감지 인버터 및 상기 저장부의 출력노드(X)와 상기 감지 인버터의 입력노드(inx) 사이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 MTJ 소자는 제1 MTJ와 제2 MTJ로 이루어져 있으며,
    상기 저장부는 쓰기모드에서 플립플롭부의 출력 정보를 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction Device, MTJ) 소자에 저장하는 단계;
    감지모드 중에 리셋신호에 의해 상기 감지 인버터에 결합된 스위치를 온시켜 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)와 출력노드(Y)를 연결시키는 단계;
    상기 저장부는 상기 상기 감지모드 중에 감지인에이블신호에 따라 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 상기 저장부의 출력노드(X)로 출력하고, 상기 커패시터를 이용하여 상기 MTJ 소자에 저장된 정보를 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)로 전달하는 단계; 및
    상기 감지 인버터는 상기 감지 인버터의 입력노드(inx)로 전달된 신호의 반전신호를 출력노드(Y)로 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 감지 인버터의 입력노드(inx)와 출력노드(Y)를 연결시키는 단계는,
    상기 저장부는 상기 제1 MTJ와 상기 제2 MTJ 사이의 접점에 상기 커패시터를 연결하고, 상기 스위치를 온시키면, 상기 저장부의 출력노드(X)는 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA) > 상기 제2 MTJ의 제2 저항(RB)인 상태에서, 상기 제1 MTJ의 제1 저항(RA)과 상기 제2 MTJ의 제2 저항(RB)의 전압분배법칙에 의해
    Figure 112022047044265-pat00019
    전압인 하이 전압(VH)이 사전 설정(Preset)되며, 상기 감지 인버터의 입력 전압(inx)과 출력노드(Y)의 전압이 같게 되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 플립플롭의 동작 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 감지 인버터의 입력노드(inx)로 전달하는 단계는,
    상기 스위치를 오프시키면, 상기 저장부의 출력노드(X)는 상기 제1 MTJ의 제1 저항과 상기 제2 MTJ의 제2 저항의 전압분배법칙에 의해 상기 하이 전압보다 낮은
    Figure 112022047044265-pat00010
    전압인 로우 전압으로 사전 설정(Preset)되고, 상기 하이 전압과 상기 로우 전압의 차이인 전압 변화량을 상기 커패시터의 커플링에 의해서 상기 감지 인버터의 입력노드로 전달하여 센싱 마진(Sensing Margin)이 증가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 플립플롭의 동작 방법.
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