KR20020068620A - Bit line sense amp - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로, 특히 센싱 스피드(sensing speed)를 향상시키는데 적당한 비트라인 센스앰프에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor memory devices, and more particularly to bit line sense amplifiers suitable for improving sensing speed.
현재 DRAM이 고집적, 대용량화 되어가면서 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터를 기본 단위로 하는 셀의 사이즈는 점점 작아지게 되며, 사이즈의 스케일링다운(scaling down)은 신뢰도를 확보하기 위해 내부 동작 전압(operating voltage)의 스케일링 다운을 동시에 가져오고 있다.As DRAMs become more integrated and larger in capacities, the size of a cell based on one transistor and one capacitor becomes smaller and smaller, and scaling down of the size is an internal operating voltage to ensure reliability. Simultaneously bringing down the scaling.
셀이 보유한 데이터는 그 데이터가 "1"인지, "0"인지에 따라 셀의 저장노드(storage node)에 전하의 형태로 있게 되는데 셀의 캐패시턴스를 획기적으로 증대시키지 않는 한 그 셀이 선택되어 비트 라인 및 비트 바라인과, 차지 공유(charge sharing)된 후의 비트 라인 및 비트 바라인간의 전압차를 형성하는 것은 동작 전압의 영향을 받게 된다.The data held by a cell is in the form of a charge on the storage node of the cell, depending on whether the data is "1" or "0", unless the cell's capacitance is dramatically increased and the bit is selected. Forming the voltage difference between the line and bit varine and the bit line and bit varine after charge sharing is affected by the operating voltage.
따라서 동작 전압의 스케일링 다운은 비트 라인 센스 앰프의 더 좋은 감지도(sensitivity)를 요구한다.Therefore, scaling down the operating voltage requires better sensitivity of the bit line sense amplifier.
그러나 트랜지스터의 크기가 줄어듦에 따라 비트라인 센스앰프를 구성하는 플립플롭 회로들의 대칭성을 유지하기가 더욱 어려워지게 된다.However, as transistors shrink in size, it becomes more difficult to maintain the symmetry of the flip-flop circuits that make up the bitline sense amplifier.
센스앰프는 대칭성이 깨지면 그에 따라 감지도가 급격히 떨어지므로 이를 해결할 방안이 모색되고 있다.When the sense amplifier breaks the symmetry, the sensitivity is sharply dropped. Therefore, a solution for this problem is being sought.
그리고 트랜지스터의 채널 길이(channel length)가 줄어듦에 따라 통계적으로 볼 때 트랜지스터의 채널 길이가 원래 결정된 값에서 벗어나는 디비에이션(deviation) 정도가 늘어나며, 또한 채널 길이의 디비에이션이 커지면 임계전압(threshold voltage)의 디비에이션도 커지게 된다.In addition, as the channel length of the transistor decreases, the degree of deviation in which the channel length of the transistor deviates from the originally determined value increases, and as the division of the channel length increases, the threshold voltage becomes larger. The division of is also increased.
따라서 감지도 정도가 좋기 위해서는 정교한 대칭성이 요구되는 비트라인 센스앰프의 경우, 임계전압 불일치에 의한 감지도의 급격한 저하는 DRAM의 동작에서 센싱 타임이 차지하는 시간을 급격히 늘려 전체 실행속도를 저하시키게 된다.Therefore, in the case of a bit line sense amplifier that requires precise symmetry for good sensitivity, the sudden decrease in the sensitivity due to the mismatch of threshold voltages dramatically increases the time taken by the sensing time in the operation of the DRAM, thereby reducing the overall execution speed.
이러한 점은 빠른 DRAM을 요구하는 현 추세로 볼 때 반드시 해결되어야 할 문제이다.This is a problem that must be solved in light of the current trend of demanding fast DRAM.
한편, 반도체 메모리 장치의 비트라인 센스앰프의 센싱 동작시 전력 소비는많아지고 상기 센싱 동작에 따른 전하 이동에 의해 전력 노이즈(power noise)가 커지게 된다.On the other hand, the power consumption is increased during the sensing operation of the bit line sense amplifier of the semiconductor memory device, and the power noise is increased by the charge movement according to the sensing operation.
이러한 전력 노이즈를 줄이기 위하여 비트라인 센스앰프의 센싱 동작시 비트라인쌍 중 하나는 전원 전압 레벨보다 조금 낮은 레벨로 충전하고, 다른 하나는 접지 전압 레벨보다 조금 높은 레벨로 충전하는 방법이 제기되었다.In order to reduce such power noise, a method of charging one of the bit line pairs at a level slightly lower than the power supply voltage level and the other at a level slightly higher than the ground voltage level has been proposed during sensing operation of the bit line sense amplifier.
그러나 이 방법을 사용하면 저장(restore) 동작시 신호 마진(signal margin)이 줄어들게 된다.However, this method reduces the signal margin during the restore operation.
따라서 현재의 고밀도 DRAM의 전력(power) 소모를 줄이기 위해서 공급 전압(supply voltage)을 감소시키는 방법을 사용하고 있다.Therefore, in order to reduce power consumption of current high density DRAM, a method of reducing supply voltage is used.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 비트라인 센스앰프를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a conventional bit line sense amplifier will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 비트라인 센스앰프를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram illustrating a conventional bit line sense amplifier.
도 1에서와 같이, 비트 라인(BL)과 비트 바라인(BLB)에 연결되는 풀-다운 트랜지스터 구동부(11), 풀-업 트랜지스터 구동부(12), 비트라인 이퀄라이징부(13)로 구성된다.As shown in FIG. 1, a pull-down transistor driver 11, a pull-up transistor driver 12, and a bit line equalizer 13 connected to the bit line BL and the bit varine BLB are included.
여기서 상기 풀-다운 트랜지스터 구동부(11)는 풀-다운 바이어스 신호(SB)를 받아 센스앰프를 구동하고, 상기 풀-업 트랜지스터 구동부(12)는 풀-업 구동 바이어스 신호(RTO)를 받아 센스앰프 구동하며, 상기 비트라인 이퀄라이징부(13)는 프리차지 제어신호(BLP) 및 프리차지 전압(VBLP)을 받아 비트 라인(BL)과 비트 바라인(/BL)을 동일한 전압으로 유지시킨다.The pull-down transistor driver 11 receives a pull-down bias signal SB to drive a sense amplifier, and the pull-up transistor driver 12 receives a pull-up drive bias signal RTO. The bit line equalizer 13 receives the precharge control signal BLP and the precharge voltage VBLP to maintain the bit line BL and the bit varine / BL at the same voltage.
한편, 상기 풀-다운 트랜지스터 구동부(11)는 두 개의 NMOS 트랜지스터(N1,N2)가 비트 라인(BL)과 비트 바라인(/BL) 사이에 직렬로 연결되어 구성되고, 상기 풀-업 트랜지스터 구동부(12)는 두 개의 PMOS 트랜지스터(P1,P2)가 비트 라인(BL)과 비트 바라인(/BL) 사이에 직렬로 연결되어 구성된다.Meanwhile, the pull-down transistor driver 11 includes two NMOS transistors N1 and N2 connected in series between a bit line BL and a bit varine / BL, and the pull-up transistor driver 12, two PMOS transistors P1 and P2 are connected in series between a bit line BL and a bit varine (/ BL).
그리고 상기 비트라인 이퀄라이징부(13)는 3개의 NMOS 트랜지스터(N3,N4,N5)의 게이트에 프리차지 제어신호(BLP)가 공통으로 인가된다.In the bit line equalizing unit 13, a precharge control signal BLP is commonly applied to the gates of three NMOS transistors N3, N4, and N5.
그러나 상기와 같은 종래의 비트라인 센스앰프는 다음과 같은 문제점이 있었다.However, the conventional bit line sense amplifier as described above has the following problems.
첫째, 소자의 센싱 스피드가 감소되고 저장된 데이터 레벨이 작아져 센싱 신호가 작아지고 프리차지(precharge)된 비트 라인 전압이 줄어듦에 따라 트랜지스터의 게이트-소오스 전압이 줄어들어 전류 안정성(drivability)이 감소되었다.First, as the sensing speed of the device is reduced, the stored data level is smaller, the sensing signal is smaller, and the precharged bit line voltage is reduced, which reduces the gate-source voltage of the transistor, thereby reducing the current stability.
둘째, 소자가 스케일다운(scale down)되더라도 비트라인 로딩(loading)은 전류 안정성에 비례하여 감소되지 않기 때문에 센싱과 저장 시간이 오히려 증가한다.Second, even though the device scales down, the bitline loading does not decrease in proportion to the current stability, thus increasing the sensing and storage time.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 트랜지스터의 벌크 바이어스(bulk bias)를 센스앰프 구동 라인에 연결하여 바디 효과(body effect)를 감소시키어 센싱 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 증가시키어 전류 안정성을 향상시킴으로서 초기 센싱 스피드를 향상시키도록 한 비트라인 센스앰프를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems. By connecting the bulk bias of the transistor to the sense amplifier driving line, the body effect is reduced to reduce the transconductance of the sensing transistor. The objective is to provide a bitline sense amplifier that increases the initial sensing speed by increasing current stability.
도 1은 종래의 비트라인 센스앰프를 나타낸 회로도1 is a circuit diagram illustrating a conventional bit line sense amplifier.
도 2는 본 발명에 의한 비트라인 센스앰프를 나타낸 회로도2 is a circuit diagram illustrating a bit line sense amplifier according to the present invention.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
21 : 풀-업 트랜지스터 구동부 22 : 풀-다운 트랜지스터 구동부21: pull-up transistor driver 22: pull-down transistor driver
23 : 비트라인 이퀄라이징부 24 : 제 1 제어부23: bit line equalizing unit 24: first control unit
25 : 제 2 제어부25: second control unit
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비트라인 센스앰프는 비트 라인과 비트 바라인 사이에 직렬로 연결되는 복수개의 PMOS 트랜지스터로 구성되는 풀-업 트랜지스터 구동부 및 복수개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는 풀-다운 트랜지스터 구동부 그리고 복수개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는 비트라인 이퀄라이징부로 이루어진 비트라인 센스앰프에 있어서, 외부의 제 1 스위치 신호를 받아 풀-다운 트랜지스터 구동부 및 비트라인 이퀄라이징부의 NMOS 트랜지스터의 벌크단에 NMOS 트랜지스터의 웰 바이어스 전압을 인가하고 상기 풀-다운 트랜지스터 구동부를 구동하기 위한 풀-다운 바이어스 신호를 조절하는 제 1 제어부와, 상기 제 1 스위치 신호와 위상이 반대되는 제 2 스위치 신호를 받아 풀-업 트랜지스터 구동부의 풀-다운 바이어스 신호를 조절 및 PMOS 트랜지스터의 웰 바이어스 전압을 인가하는 제 2 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The bit line sense amplifier according to the present invention for achieving the above object is a pull-up transistor driver consisting of a plurality of PMOS transistors connected in series between the bit line and the bit varine and a pull composed of a plurality of NMOS transistors A bit line sense amplifier comprising a down transistor driving unit and a bit line equalizing unit including a plurality of NMOS transistors, the NMOS transistor being received at a bulk end of the NMOS transistor of the pull-down transistor driving unit and the bit line equalizing unit by receiving an external first switch signal. A first control unit configured to apply a well bias voltage of and to control a pull-down bias signal for driving the pull-down transistor driver, and to receive a second switch signal that is out of phase with the first switch signal; Pull-down bias signal And a second controller for adjusting and applying a well bias voltage of the PMOS transistor.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 비트라인 센스앰프를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a bit line sense amplifier according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 비트라인 센스앰프를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a bit line sense amplifier according to the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 비트 라인(BL)과 비트 바라인(/BL) 사이에 직렬로 연결되는 복수개의 PMOS 트랜지스터(P1,P2)로 구성되는 풀-업 트랜지스터 구동부(21) 및 복수개의 NMOS 트랜지스터(N1,N2)로 구성되는 풀-다운 트랜지스터 구동부(22) 그리고 복수개의 NMOS 트랜지스터(N3,N4,N5)로 구성되는 비트라인 이퀄라이징부(23)로 이루어진 비트라인 센스앰프에 있어서, 외부의 제 1 스위치신호(SW)를 받아 풀-다운 트랜지스터 구동부(22) 및 비트라인 이퀄라이징부(23)의 NMOS 트랜지스터(N1,N2.N3,N4,N5)의 벌크단에 NMOS 트랜지스터의 웰 바이어스 전압(VBB)을 인가하고 상기 풀-다운 트랜지스터 구동부(22)를 구동하기 위한 풀-다운 바이어스 신호(SB)를 조절하는 제 1 제어부(24)와, 상기 제 1 스위치 신호(SW)와 위상이 반대되는 제 2 스위치 신호(SWB)를 받아 풀-업 트랜지스터 구동부(21)의 풀-다운 바이어스 신호(STO)를 조절 및 PMOS 트랜지스터(P1,P2)의 벌크단에 PMOS 트랜지스터 웰 바이어스 전압을 인가하는 제 2 제어부(25)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, a pull-up transistor driver 21 and a plurality of PMOS transistors P1 and P2 connected in series between a bit line BL and a bit varine (/ BL) are provided. A bit line sense amplifier comprising a pull-down transistor driver 22 composed of NMOS transistors N1 and N2 and a bit line equalizer 23 composed of a plurality of NMOS transistors N3, N4 and N5. The well bias voltage of the NMOS transistor at the bulk terminals of the NMOS transistors N1, N2. N3, N4, N5 of the pull-down transistor driver 22 and the bit line equalizer 23 by receiving the first switch signal SW The first control unit 24 for applying (VBB) and adjusting the pull-down bias signal SB for driving the pull-down transistor driver 22 and the phase of the first switch signal SW are opposite to each other. A pull-up transistor driver 2 receiving the second switch signal SWB And a second controller 25 for adjusting the pull-down bias signal STO of 1) and applying the PMOS transistor well bias voltage to the bulk terminals of the PMOS transistors P1 and P2.
여기서 상기 제 1 제어부(24)는 외부의 제 1 스위치 신호(SW)에 게이트가 연결되고 드레인에 풀-다운 트랜지스터 구동부(22)가 연결되고 소오스에 접지전압(VSS)이 연결되는 제 1 NMOS 트랜지스터(24a)와, 상기 제 1 스위치 신호(SW)를 일정 시간만큼 지연시키어 출력하는 제 1 지연부(24b)와, 상기 제 1 스위치 신호(SW) 및 제 1 지연부(24b)의 출력신호를 입력으로 받아 논리 연산하여 출력하는 NAND 게이트(24c)와, 상기 제 1 NMOS 트랜지스터(24a)의 드레인에 드레인이 연결되고 소오스에 NMOS 트랜지스터의 벌크 바이어스 전압(VBB)이 연결되며 게이트에 NAND 게이트(24c)의 출력신호가 연결되는 제 2 NMOS 트랜지스터(24d)로 구성된다.Here, the first control unit 24 has a first NMOS transistor having a gate connected to an external first switch signal SW, a pull-down transistor driver 22 connected to a drain, and a ground voltage VSS connected to a source. 24a, a first delay unit 24b for delaying and outputting the first switch signal SW by a predetermined time, and an output signal of the first switch signal SW and the first delay unit 24b. A NAND gate 24c that is received as an input and is logically operated and output, a drain is connected to the drain of the first NMOS transistor 24a, a bulk bias voltage VBB of the NMOS transistor is connected to the source, and a NAND gate 24c is connected to the gate. Is composed of a second NMOS transistor 24d to which an output signal is connected.
그리고 상기 제 2 제어부(25)는 상기 제 1 스위치 신호(SW)와 위상이 반대되는 제 2 스위치 신호(SWB)에 게이트가 연결되고 드레인에 풀-업 트랜지스터 구동부(21)가 연결되고 소오스에 전원전압(VDD)이 연결되는 제 1 PMOS 트랜지스터(25a)와, 상기 제 2 스위치 신호(SWB)를 일정 시간만큼 지연시키어 출력하는 제 2 지연부(25b)와, 상기 제 2 스위치 신호(SWB) 및 제 2 지연부(25b)의 출력신호를 입력으로 받아 논리 연산하여 출력하는 NOR 게이트(25c)와, 상기 제 1 PMOS 트랜지스터(25a)의 드레인에 드레인이 연결되고 소오스에 PMOS 트랜지스터의 벌크 바이어스 전압(VPP)이 연결되며 게이트에 NOR 게이트(25c)의 출력신호가 연결되는 제 2 PMOS 트랜지스터(25d)를 포함하여 구성된다.The second controller 25 has a gate connected to the second switch signal SWB having a phase opposite to that of the first switch signal SW, a pull-up transistor driver 21 connected to a drain, and a power source supplied to the source. A first PMOS transistor 25a connected to a voltage VDD, a second delay unit 25b delaying and outputting the second switch signal SWB by a predetermined time, the second switch signal SWB, and A NOR gate 25c that receives the output signal of the second delay unit 25b as an input and performs a logic operation and outputs the same; a drain is connected to a drain of the first PMOS transistor 25a, and a bulk bias voltage of the PMOS transistor VPP) is connected to the gate and the second PMOS transistor 25d is connected to the output signal of the NOR gate (25c).
상기와 같이 구성된 본 발명의 비트라인 센스앰프를 구동하기 위한 풀-다운 트랜지스터 구동부(22)와 풀-업 트랜지스터 구동부(21)에 인가되는 풀-다운 및 풀-업 바이어스 신호(SB, RTO)는 각각의 MOS 트랜지스터의 소오스단으로 SB에 NMOS 트랜지스터 웰 바이어스 전압(VBB)과 연결하고 RTO에 PMOS 트랜지스터 웰 벌크 바이어스 전압(VPP)과 연결하여 바디 효과로 인한 문턱전압 증가를 감소시킨다.The pull-down and pull-up bias signals SB and RTO applied to the pull-down transistor driver 22 and the pull-up transistor driver 21 for driving the bit line sense amplifier of the present invention configured as described above are The source terminal of each MOS transistor is connected to the NMOS transistor well bias voltage (VBB) at SB and to the PMOS transistor well bulk bias voltage (VPP) at RTO to reduce the threshold voltage increase due to the body effect.
구체적으로 비트라인 센스앰프의 센싱 시작시 제 1 스위치 신호(SW)를 "L"로 인가하여 NMOS 트랜지스터 웰 벌크 바이어스 전압(VBB)을 SB에 연결하고 일정 시간 후 다시 제 1 스위치 신호(SW)를 "H"로 인가하여 일정한 지연 후에 VBB와의 연결을 차단하고 VSS와 연결한다.Specifically, at the start of sensing the bit line sense amplifier, the first switch signal SW is applied as "L" to connect the NMOS transistor well bulk bias voltage VBB to SB, and the first switch signal SW is again applied after a predetermined time. It is applied as "H" to disconnect the VBB after a certain delay and connect to the VSS.
그리고 비트라인 센스앰프의 센싱 시작시 제 2 스위치 신호(SWB)도 "H"로 인가하여 PMOS 트랜지스터 웰 바이어스 전압(VPP)을 RTO에 연결하고 일정시간 후 다시 SWB를 "L"로 인가하여 일정한 지연 후에 VPP와의 연결을 차단하고 VDD와 연결하여 센스앰프의 초기 센싱 스피드를 빠르게 한다.At the start of sensing of the bit line sense amplifier, the second switch signal SWB is also applied as "H" to connect the PMOS transistor well bias voltage VPP to the RTO, and after a predetermined time, the SWB is applied again as "L" for a constant delay. Later, it disconnects from VPP and connects to VDD to speed up the initial sensing speed of the sense amplifier.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 비트라인 센스앰프에 있어서 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the bit line sense amplifier according to the present invention has the following effects.
즉, 비트라인 센스앰프의 트랜지스터 벌크 바이어스 전압을 센스앰프 구동 신호로 사용하여 바디 효과를 감소시키면서 센싱 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스를 증가시키고 센스 앰프의 전류 안정성을 향상시킴으로서 초기 센싱 스피드를 향상시킬 수 있다.In other words, by using the transistor bulk bias voltage of the bit line sense amplifier as the sense amplifier driving signal, the initial sensing speed can be improved by increasing the transconductance of the sensing transistor and improving the current stability of the sense amplifier while reducing the body effect.
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KR1020010008718A KR20020068620A (en) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | Bit line sense amp |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100621771B1 (en) * | 2005-01-28 | 2006-09-14 | 삼성전자주식회사 | Voltage equalizing and precharging circuit for signal lines and method thereof |
-
2001
- 2001-02-21 KR KR1020010008718A patent/KR20020068620A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100621771B1 (en) * | 2005-01-28 | 2006-09-14 | 삼성전자주식회사 | Voltage equalizing and precharging circuit for signal lines and method thereof |
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