TW569241B - Output sense amplifier for a multibit memory cell - Google Patents

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Description

)()9241 五 、發明説明 發明背景 本發明關於資訊儲存裝置,特 ,w 直符別關於供電阻性位元之作 為記憶體裝置之一部分之感測放大器。 …作 上:::目前已可製造多位元記憶體單元,其可有二個以 ##怨。具有賴縣構之材料其巾,異常磁__ 材枓’及高溫超導材#ίΗτς 改變。 (Tsc)又电阻特性可由外部影響 例如,具有鈣鈦礦社槿 一"構材枓又特性,特別是CMR及 HTSC材料可施加一或多 找 ' 义^私脈衝於薄膜或材料上而改 交”特性。來自脈衝或多贩输命 ^ ^ 乂夕脈衝(电%強度或電流強度足夠 使材料之物理狀態改變,田 λ 又因而可修改材料之特性。脈衝為 低能量,故不致破壞岑女庐走榨 飞大巾田破壞材枓。可施加多脈衝於材 料上以產生材料特性之治旦 ,、 <〜里改交。可改變之特性之一為材 料之電阻。利用用以咸岸矗, 心I取初改蜒艾相反極性脈衝,此一 改變可能至少部分可逆。 ?成電阻性位元之材料之電阻可在一範圍值上變化。使 ,早一電阻性位元可支援一個以上之一等值二進制位元資 料。一單一電阻性位元可能儲存等值於數個二進制位元之 值。 本發明概述 、備有一讀取電路,以轉換儲存於一電阻性位元中之一值 為一等值二進制輸出。該讀取電路包含一自連接至第一位 疋感測及第二位元感測放大器之電阻性位元之電壓輸入。 咸第一位元感測放大器包含連接至電壓輸入,第一輸出位 ΐ紙張尺度適财s @家鮮(CNS) Μ規格(―挪公爱)----- 569241 A7
几線及第-源極之一輸入節點。該第二位元感測放大哭包 含-連接至電壓輸入線及第二源極之輸入節點。第出 位兀線連接至—轉換器’其有一輸出連接至分壓器。該分 I器包含FETs串聯㈣換器輸出與—位準調整輸入之間, 其與FET源極對應,該源連接至第_源極。分壓器進一步 包σ連接土第一源之分壓器輸出。自分壓器至第二源極
之連接提供—補償,以使輸人電壓高於第二位it感測放大 器之最初換電壓時’第二位元感測放大器可再設定其二造 制輸出。 圖式簡略說明 裝 圖1為一 2-位元讀取電路之略圖。 圖2為一 3-位元讀取電路略圖。 圖3為一 3-位元之讀取電路略圖及對應之輸出波形。 本發明詳細說明
圖1顯示一用以轉換具有四電壓位準之多位元記憶體單 元為2·位元二進制輸出之讀取電路丨〇之說明性舉例。 該讀取電路1 0顯示有二輸出位元,B 1及B2。二輸出位 元可使讀取電路1 0轉換多位元記憶體單元之4電阻位準為 一二進位數自〇 〇至Π。讀取電路1 0顯示有二位元測放大器 及一分壓器電路。 一輸入電壓(Vin) 1 2自一多位元記憶體單元連接,該單 元未示出,輸入連接至第一位元感測放大器2 〇之第一輸入 節點22,及第二位元感測放大器40之第二輸入節點42。 第一位元感測放大器20包含一 PMOS電晶體(Q3) 24與一 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569241 A7 B7 五、發明説明(3 ) NMOS電晶體(Q4)26串聯於第一輸出位元線28,亦稱B2。 該PMOS電晶體24及NMOS電晶體26顯示串聯於Vcc與接地 之間。該NMOS電晶體26有一源30接地。雖然可用其他切 換點,此第一位元感測放大器2 0較佳在輸入電壓12約等於 V c c電壓之一半時切換。 第二位元感測放大器40包含一 PMOS電晶體(Ql)44與 NMOS電晶體(Q2)46串聯於第二輸出位元線48,如B1所 示。如圖所示,PMOS電晶體44之源極連接至Vcc。NMOS 電晶體50亦有一源極50。雖然可用其他切換點,此第二位 元感測放大器40較佳在輸入電壓12與源極50之電壓差為 Vcc電壓之四分之一時切換。 一分壓器電路80包含一對電晶體Q6及Q8。如圖示二電晶 體均為η-型,但本發明使用之分壓器電路可利用p-型電晶 體製造。分壓器電路80包含一位準調整輸入82,其可對應 一分壓器電晶體之源極並連接至源極30,一位元輸入84經 轉換器86,及第一分壓器輸出87連接至第一輸出位元線 28,該輸出87,即Vx連接至第二位元放大器40之源極50。 位元輸入84連接至電晶體92之汲極88及閘極90,俾汲極與 閘極被短路。第一分壓器輸出87連接至一對電晶體間之閘 極94及一連接點96。第一分壓器87之輸出電壓較佳為位元 輸出84電壓之一半。雖然位元輸入84較佳為一半之電壓, 但其他電壓位準亦為理想,並在申請專利範圍之内。電晶 體對Q6及Q8為二進位”10”及二進位”11”設定觸發電壓。 流經Q1之電流當B1切換時流經Q2之電流相等,即VI及 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569241
V3。因此’ Vx在切換點為Q8之汲極電壓,假定m〇s汲極 電流依照平方律,以下恆等式說明切換關係。 KN(V 1-Vtn)2 = Kp(Vcc-V1-Vtp)2 ( i)
Kn(V3-Vx-Vtn)2 = Kp(Vcc-V3-Vtp)2 (2) 自(1)及(2)可得:
Vx - (Vcc-Vtm^Vtp) (V3-VΠ (3)
Vcc^Vl-VTp
因為電晶體之電阻為其W/ L比值之函數,亦甚為明顯,即 理想分墨之可適當整電晶體之W / L比值而獲得調整· W6/L6=_Vx_=-LVcc-Vtn-Vtp)(VS-V1) (4) 裝 W8/L8 Vcc-Vx Vcc(Vcc-VTp-V3) + Y3(VTN + VTp) 因此’如设计弟一分壓器之電晶體q 6及Q 8,一準確之切換 電壓控制可以獲得。亦可能使電晶體之長度相等,而僅調 整其寬度,俾電壓分壓為W0/W8之函數。雖然分壓器電路
之電晶體顯示為η-型溝道電晶體,分壓器電路亦可利用p_ 型溝道電晶體製成。 讀取電路之數位輸出在自多位元記憶體單元輸入電壓為 0與VI,VI及V2,V2及V3,V3及V4之間時為00,01, 10,11。電壓V1應大於n_型溝道電晶體之門限電壓 (VTN)。VI,V2,V3及Vcc不需均分。以下電壓關係應予 以保持:¥“=¥4>¥3>¥2>¥1>乂丁\及¥4«^3>-¥丁1>。表1顯示 電壓輸入Vin與轉換之二進制輸出之關係。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569241 A7 B7
表1
Vcc=V8>V7>V6>V5>V4>V3>V2>Vi>vtn^v8-V7>.Vtp 。電壓不需平均分壓。分壓器電晶體之尺寸可予調整以Z 最佳操作。
裴 訂
參考圖2,顯示讀取電路1〇〇〇具有三輸出位元。。該讀 取電路1 〇〇〇具有三個位元感測放大器及二分壓器電路。瞭 解以下之圖1中讀取電路說明後’應甚為明顯,即為每— 位元增加一額外之位元感測放大器及額外分壓器電路,則 可提供一額外位元。 一輸入電壓(Vin) 12自一多位元記憶體單元,其未示 出,連接至第一位元感測放大器100之第一輸入節點1〇2, 一第二位元感測放大器200之第二輸入節點202,及第三位 元放大器300之第三輸入節點302。
第一位元感測放大器1〇〇包含一 PMOS電晶體104與NMOS 電晶體106串聯於第一輸出位元線108,如B3所示。PMOS __ - 8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569241 A7 B7 五、發明説明( ) 6 電晶體104及NMOS電晶體106串聯連接於Vcc與地之間。 NMOS電晶體106有一源極110如圖示接地。其他切換點亦 可使用,此第一位元感測放大器100較佳為在輸入電壓12 為電壓Vcc之半時切換。 第二位元感測放大器200包含一 PMOS電晶體204,其與 一 NMOS電晶體206串聯於第二輸出位元線208,如B2所 示。如圖示,PMOS電晶體204的源極被連接至Vcc。 NMOS電晶體亦有一源極2 1 0。雖然其他切換點亦可使用, 此第二位元放大器200較佳在輸入電壓12與與源極210之電 壓差為電壓Vcc之四分之一時切換。 第一分壓器電路400包含一對電晶體。如圖示,二電晶 體均為η-型,如分壓器使用於本發明中時,亦可利用p-型 電晶體製成。分壓器電路包含一第一位準調整輸入402, 其對應分壓器電晶體源極,連接至源極1 1 0,一位元輸入 404經轉換器406連接至第一輸出位元線108,第一分壓器 輸出407連接至第二位元感測放大器200之源極210。位元 輸入404連接至汲極408及電晶體412之閘極410,俾汲極與 閘極被共同短路。第一分壓器輸出407連接至閘極420,及 一對電晶體間之連接點430。雖然其他分壓器比值亦可 用,第一分壓器407之電壓較佳為位元輸入404電壓之半。 第三位元感測放大器300包含PMOS電晶體304與NMOS電 晶體306在第三輸出位元線308串聯,如B1所示。如圖示, PMOS電晶體304之源極連接至Vcc。NMOS電晶體亦有一 源極3 1 0。雖然其他切換點可用,此第三位元感測放大器 _^_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 569241 A7 B7 五、發明説明(7 ) 300較佳在輸入電壓12與源極3 10電壓間之電壓差約為Vcc 之八分之一時切換。 第二分壓器電路500包含一對電晶體。如圖示其均為p-型,但與本發明使用之分壓器電路可用η-型電晶體構成, 如上所討論者。該分壓器電路包含一第二位準調整輸入 502,其可對應於分壓器電晶體之源極,其連接至源極 210,一位元輸入504經轉換器506連接至第二輸出位元線 208,第二分壓器輸出507連接至第三位元感測放大器300 之源極310。位元輸入504連接至電晶體512之源極508。第 二位準調整輸入502連接至閘極520及一汲極522。雖然可 用其他分壓器比值,第二分壓器輸出507之電壓較佳為位 元輸入504及源極502間電壓差之四分之一。 為說明目的,圖2中之讀取電路10顯示有一 η-型分壓器 電路400及一ρ-型分壓器電路500。亦可能使用全η-型分壓 器,全Ρ-型分壓器,或任何η-型分壓器與ρ-型分壓器之組 合。 參考圖3,其說明一讀取電路及伴隨之輸出波形。注 意,高輸出電壓在所示波形中對應二進制” 0”。第一分壓 器電路400及第二分壓器電路500如圖示均利用η-型電晶 體。一旦電壓位準足夠高時,第一位元感測放大器輸出Β3 切換,如702所示,第一分壓器輸出407在第二位元感測放 大器200之源極210提供足夠之補償,俾第二位元感測放大 器可返回高電壓輸出,704所示。如源極2 10連接至地,一 旦有足夠電壓如V2達到時,第二輸出位元線208將降低如 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
569241 A7 B7 五、 發明説明( 706所示,如較高電壓一直施加時仍然保持低。補償之出 現使第二輸出位元線208返回高輸出值,如704所示。所有 前補償之組合效應,此例中之自分壓器輸出407補償第二 分壓器輸出507,使第三輸出位元線(B 1) 308切換,如圖 示。在額外位元情況下,額外分壓器電路之效應將進一步 對補償有貢獻。在實際實施中,切換點可能不經常成行。 分壓器電路及輸入感測放大器之設計可使最佳化至平均間 隔之切換點。此外,如切換點在二電壓點間成帶,可設計 記憶體裝置以使電阻性位元之電壓位準位於已知電壓帶之 理想位置。 以上已討論說明性實施例,但涵蓋不限於此等特殊實施 例。例如,額外之感測放大器及分壓器可加入以增加額外 位元。應甚為明顯,上述電晶體稱為MOS型裝置,其他適 合電晶體包括不用氧化物為閘極絕緣器者亦可使用。例如 任何適當之FET電晶體亦可使用。申請專利範圍將決定本 發明之範疇。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
裝 訂

Claims (1)

  1. 8 8 8 8 A BCD 569241 六、申請專利範圍 1· 一種用於多位元記憶體單元之讀取電路,該讀取電路包 含: a) —電壓輸入; b) —第一位元感測放大器,其包含第一輸入節點連 接至電壓輸入、第一輸出位元線及第一源極; c) 一第二位元感測放大器,其包含一第二輸入節點 連接至電壓輸入、第二輸出位元線及一第二源極;及 d) —電壓分壓器電路,其包含一位準調整輸入連接 至第一源極、一位元輸入經轉換器連接至第一輸出位元 線及一分壓器輸出連接至第二源極。 2.如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該第一位元感 測放大器為一 CMOS轉換器。 3·如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該第二位元感 測放大器為一 CMOS轉換器。 4. 如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該分壓器電路 為一 NMOS分壓器。 5. 如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該分壓器電路 為一 PMOS分壓器。 6·如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該第一輸出位 元線對應於最高位準位元,及該第二輸出位元線對應較 低位準位元。 7. 如申請專利範圍第1項之讀取電路,其中該第一源極為 接地。 8. —種用於多位元記憶體單元之讀取電路,包含: -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    8 8 8 8 A B c D 569241 六、申請專利範圍 a) —電壓輸入自多位元記憶體單元連接至第一 CMOS 轉換器,以使電壓輸入連接至第一PMOS電晶體之第一 閘極,及至第一 NMOS電晶體之第二閘極,其中該第一 CMOS轉換器包含第一PMOS電晶體,其第一源極連接 至Vcc,第一汲極連接至第一位元線輸出,該第一 NMOS電晶體包含一第二汲極連接至第一位元線輸出, 及第二源極接地; b) —第一分壓器電路包含第一位準調整輸入連接至 第二源極,一第一位元輸入經第一換換器連接至第一位 元線輸出,及一第一補償輸出; c) 其中該電壓輸入亦自多位元記憶體單元連接至第 二CMOS轉換器,以使該電壓輸入連接至第二PMOS電 晶體之第三閘極及第二NMOS電晶體之第四閘極,其中 該第二CMOS轉換器包含第二PMOS電晶體,其第三源 極連接至Vcc,及一第三汲極連接至第二位元線輸出, 第二NMOS電晶體包含第四汲極連接至第二位元線輸 出,及一第四源極連接至第一補償輸出。 9.如申請專利範圍第8項之讀取電路,進一步包含: a) —第二分壓器電路包含第二位準調整輸入連接至 第四源極,第二位元輸入經第二轉換器連接至第二位元 線輸出,及一第二補償輸出;及 b) 其中該電壓輸入亦自多位元記憶體單元連接至第 三CMOS轉換器,以使電壓輸入連接至第三PMOS電晶 體之第五閘極,及第三NMOS電晶體之第六閘極,其中 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    裝 玎 569241 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 該第三CMOS電晶體包含第三PMOS電晶體,其所含之 第五源極連接至Vcc,其第五汲極連接至第三位元線輸 出,該第三NMOS電晶體包含一第六汲極連接至第三位 元線,及一第六源極連接至第二補償輸出。 10. 如申請專利範圍第8項之讀取電路,其中該第一分壓器 電路包含串聯之FETs,每一 FET具有FET閘極及FET汲 極一起短路,以使第一補償輸出可自FETs間之連接點 獲得。 11. 一種用於多位元記憶體單元之讀取電路,包含: a) 第一裝置,其用以感測自多位元記憶體閂入電壓 及提供第一輸出電壓; b) 第二裝置,其用以感測自多位元記憶體單元之輸 入電壓與補償電壓間之電位差,及提供第二輸出電壓; 及 c) 一裝置,其用以根據第一輸出電壓提供偏移電 壓。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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