TWI437574B - 電流感測放大器及其方法 - Google Patents

Description

電流感測放大器及其方法

本發明是有關於一種電流感測放大器及其方法，特別是有關於一種可消除漂移電壓影響的電流感測放大器及其方法。

在非揮發性記憶體中，記憶體資料讀取需要提供電流源或電壓源流入選定的記憶單元中，由並且由電晶體產生讀取電流(Sense Current)來判斷儲存於記憶單元內的資料邏輯狀態。

隨著半導體製程技術的演進，單位面積上的記憶單元數目日益增加，以提供高容量的記憶體。然而由於半導體製程中隨機佈植(Random Doping)的關係，以及製程尺寸縮小的因素，使電晶體的臨界電壓產生偏移(Offset)，因此可能會導致錯誤判讀資料邏輯狀態。

為了消除電晶體臨界電壓偏移，Edward Wai在美國專利號第5,032,744號中提出一種可消除臨界電壓偏移的高速比較器，在重置相位(Reset Phase)時，使用兩個電容阻擋所有的直流電壓；在正反饋相位(Regeneration Phase)時，使差動放大器進入飽和(Saturation)狀態，藉此以消除臨界電壓偏移。然而此兩個電容需歷經充電狀態及放電狀態，因此會降低判讀資料邏輯狀態的速度。

另，Esin Terzioglu在美國專利號第6,781,421號中提出一種可消除臨界電壓偏移的感測放大器，其主要將不同電晶體的臨界電壓偏移差值儲存於電容之中，等到需要判讀資料邏輯狀態的結果時，再加上此臨界電壓偏移差值，藉此以消除臨界電壓偏移。然此先前技藝中之電容也同樣需要歷經充電狀態及放電狀態，因此也無法提高判讀資料邏輯狀態的速度。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電流感測放大器及其方法，以解決臨界電壓偏移所產生的記憶單元邏輯狀態錯誤判讀問題，以及無法提高判讀速度的問題。

根據本發明之目的，提出一種電流感測放大器，此電流感測放大器包含一第一電壓輸入端、一第一電流路徑、一第二電流路徑、一第三開關、一第四開關、一第一電容、一第二電容、一栓鎖電路及一栓鎖開關。

第一電壓輸入端可提供一輸入電壓。第一電流路徑包含依序相連之一第一電晶體、一第一開關及一第一負載，第一電晶體及第一開關連接於一第一節點，且第一電晶體之源極連接電壓輸入端。第二電流路徑包含依序相連之一第二電晶體、一第二開關及一第二負載，第二電晶體及第二開關連接於一第二節點，且第二電晶體之源極連接電壓輸入端。第三開關連接於第一電晶體之閘極與第一節點間；第四開關連接於第二電晶體之閘極與第二節點間。第一電容連接第一電晶體之閘極與第二節點間；第二電容連接第二電晶體之閘極與第一節點間。栓鎖電路連接第一節點與第二節點，而栓鎖開關連接於栓鎖電路與一接地端間。

其中，當第一開關、第二開關、第三開關及第四開關同時被導通且栓鎖開關被關閉時，一第一電流與一第二電流分別於第一電流路徑及第二電流路徑流通，並於第一節點與第二節點間產生一電位差，此電位差為該第一電晶體之閘極之一第一閘極電位與該第二電晶體之閘極之一第二閘極電位之差值。

其中，當第一開關、第二開關、第三開關、第四開關及栓鎖開關同時被關閉時，第一電容與第二電容分別耦合第一閘極電位與第二閘極電位至第一電晶體與第二電晶體，以使第一電晶體與第二電晶體放大此電位差。

其中，當第一開關、第二開關、第三開關及第四開關同時被關閉，且栓鎖開關被開啟時，栓鎖電路將第一節點或第二節點其中之一之電位提昇為輸入電壓之電壓值，且將第一節點或第二節點其中另一之電位降低至零電位。

此外，本發明更提出一種電流感測放大之方法，此電流感測方法包含下列步驟。首先，提供一第一電流路徑及一第二電流路徑，此第一電流路徑包含依序相連之一第一電晶體、一第一開關及一第一負載，此第二電流路徑包含依序相連之一第二電晶體、一第二開關及一第二負載，且第一電晶體及第一開關連接於一第一節點，第二電晶體及第二開關連接於一第二節點。再提供一第三開關連接於第一電晶體之閘極與第一節點間，以及提供一第四開關連接於第二電晶體之閘極與該第二節點間。提供一第一電容連接於第一電晶體之閘極與第二節點間，以及提供一第二電容連接第二電晶體之閘極與第一節點間。再提供一栓鎖電路連接第一節點與該第二節點。並且提供一栓鎖開關連接於栓鎖電路與一接地端 間。導通第一開關、第二開關、第三開關及第四開關，且關閉栓鎖開關，以使一第一電流與一第二電流分別於第一電流路徑及第二電流路徑流通，並於第一節點與第二節點間產生一電位差，此電位差為第一電晶體之閘極之一第一閘極電位與第二電晶體之閘極之一第二閘極電位之差值。關閉第一開關、第二開關、第三開關、第四開關以及栓鎖開關，以使第一電容與第二電容係分別耦合第一閘極電位與第二閘極電位至第一電晶體與第二電晶體，並使第一電晶體與第二電晶體放大此電位差。最後關閉第一開關、第二開關、第三開關及第四開關，且導通栓鎖開關，使栓鎖電路將第一節點或第二節點其中之一之電位提昇為輸入電壓之電壓值，以及將第一節點或第二節點其中另一之電位降低至零電位。

承上所述，依本發明之電流感測放大器及其方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)此電流感測放大器及其方法可藉由電流直接對電容充電，以產生與臨界電壓無關的電流判斷結果。

(2)此電流感測放大器及其方法可藉由電流直接對電容充電，再由電容反饋充電後的電壓，藉此可提高判讀記憶單元邏輯狀態的速度。

C₁‧‧‧第一電容

C₂‧‧‧第二電容

Cp1‧‧‧第一電流路徑

Cp2‧‧‧第二電流路徑

I₁‧‧‧第一電流

I₂‧‧‧第一電流

Latch‧‧‧栓鎖電路

M₁‧‧‧第一電晶體

M₂‧‧‧第二電晶體

M₃‧‧‧第三電晶體

M₄‧‧‧第四電晶體

N₁‧‧‧第一節點

N₂‧‧‧第二節點

R₁‧‧‧第一負載

R₂‧‧‧第二負載

S₁‧‧‧第一開關

S₂‧‧‧第二開關

S₃‧‧‧第三開關

S₄‧‧‧第四開關

S₅‧‧‧栓鎖開關

Vdd‧‧‧電壓輸入端

S10~S80‧‧‧步驟

第1圖 係為本發明之電流感測放大器之之第一實施例之電路圖；第2圖 係為本發明之電流感測放大器之之第二實施例之電路圖；以及第3圖 係為本發明之電流感測放大之方法的流程圖。

請參閱第1圖，其係為本發明之電流感測放大器之第一實施例之電路圖。該圖中，電流感測放大器包含電壓輸入端Vdd、第一電流路徑Cp1、第二電流路徑Cp2、第一電容C₁、第二電容C₂、第三開關S₃、第四開關S₄、栓鎖電路Latch及栓鎖開關S₅。

第一電流路徑Cp1包含依序相連的第一電晶體M₁、第一開關S₁及第一負載R₁，第一電晶體M₁與第一開關S₁相連於第一節點N₁，且第一電晶體M₁的源極連接電壓輸入端Vdd，以接收電壓輸入端Vdd所傳送之輸入電壓。第二電流路徑Cp2包含依序相連的第二電晶體M₂、第二開關S₂及第二負載R₂，第二電晶體M₂與第二開關S₂相連於第二節點N₂，且第二電晶體M₂的源極連接電壓輸入端Vdd，以接收電壓輸入端Vdd所傳送之輸入電壓。其中，此第一電晶體M₁及第二電晶體M₂較佳為P型金氧半場效電晶體(PMOS)，且第一負載R₁與第二負載R₂通常分別為參考記憶單元與被比較的記憶單元。

第三開關S₃連接於第一電晶體M₁的閘極與第二節點N₂間，第四開關S₄則是連接於第二電晶體M₂的閘極與第一節點N₁間。而第一電容C₁連接第一電晶體M₁的閘極與第二節點N₂間，第二電容C₂則是連接在第二電晶體M₂與第一節點N₁間。此外，栓鎖電路Latch則是連接第一節點N₁與第二節點N₂，且栓鎖開關S₅連接栓鎖電路Latch與接地端間。

本發明之電流感測放大器可分為三個操作階段。在第一個階段中，第一開關S₁、第二開關S₂、第三開關S₃以及第四開關S₄同時被導通，且栓鎖開關S₅被關閉。此時，第一電流路徑Cp1與第二電流路徑Cp2上有第一電流I₁及第二電流I₂通過，此第一電流及第二 電流之電流值大小是由第一負載R₁及第二負載R₂的阻抗值決定，且本發明之電流感測放大器的設計目的就是在於比較此第一電流I₁及第二電流I₂的大小。當第一電流I₁與第二電流I₂流通時，第一電容C₁與第二電容C₂分別會對第一電流I₁與第二電流I₂進行電流取樣動作，以分別儲存第一電晶體M₁閘極的第一閘極電位與第二電晶體M₂閘極的第二閘極電位。由於第一負載R₁與第二負載R₂的阻抗值不同，因此第一電流I₁與第二電流I₂值大小也不相同，從而導致第一閘極電位與第二閘極電位不同。因此第一電流I₁與第二電流I₂會在第一節點N₁與第二節點N₂間產生一個電位差，此電位差即為第一閘極電位與第二閘極電位的差值。值得注意的是，此第一閘極電位與第二閘極電位是與臨界電壓相關的。

在第二個階段中，第一開關S₁、第二開關S₂、第三開關S₃、第四開關S₄以及栓鎖開關S₅同時被關閉，以切斷電流流往第一負載R₁或第二負載R₂的路徑，但電流仍然可以藉由第一節點N₁或第二節點N₂流往其他電子元件(圖中未示)。在各開關由導通狀態轉換為關閉狀態時，由於第一電容C₁與第二電容C₂分別儲存了第一閘極電位與第二閘極電位，因此第一電晶體M₁與第二電晶體M₂導通的電流仍然是第一電流I₁與第二電流I₂之電流值。以第二電流值大於第一電流值舉例而言，第二節點N₂上的電壓會大於第一節點N₁上的電壓，因此第二節點N₁上的電壓會透過第一電容C₁耦合至第一電晶體M₁的閘極，因此會提昇第一電晶體M₁閘極上的電壓，又第一電晶體M₁為PMOS，因此會持續的將第一電晶體M₁流通的電流值降低，直到第一電晶體進入截止狀態為止，並藉此提昇將第一節點N₁與第二節點N2的電位差。請注意，第二階段中提昇過後的 電位差值是與第一電晶體與第二電晶體的臨界電壓無關。

在第三個階段中，第一開關S₁、第二開關S₂、第三開關S₃以及第四開關S₄為關閉狀態，但栓鎖開關S₅為導通狀態。此時栓鎖電路Latch會被啟動，以具有較高電位的節點上的電位提昇至輸入電壓之電壓值，並將具有較低電位的節點上的電位降低至零電位。亦即，第一節點N₁與第二節點N₁設為軌對軌(Rail-to-Rail)狀態，使得輸出擺伏與供電電壓相同。藉此，即可藉由第一節點N₁或第二節點N₂上的電位產生與電晶體臨界電壓無關的判斷結果。

此外，由於目前多數的記憶體皆為使用小於一百奈米(nm)線寬的製程，因此第一電流I₁與第二電流I₂的電流值非常小，使得第一電晶體M₁與第二電晶體M₂會被操作在次臨界區。

請參閱第2圖，其係為本發明之電流感測放大器之第二實施例之之電路圖。與第一實施例相較，其差異在於第二實施例之栓鎖電路Latch由第三電晶體M₃與第四電晶體M₄所組成，且第一節點N₁與第二節點N₂更分別連接了第一反相器Inv1與第二反相器Inv2，以於第一或第二反相器Inv1、Inv2的輸出端輸出電流比較結果。其餘部分皆與第一實施例相同，就不在此贅述。

此第三電晶體M₃與第四電晶體M₄較佳為N型金氧半場效電晶體。第三電晶體M₃的汲極與第四電晶體M₄之閘極分別連接第一節點N₁；第四電晶體M₄之汲極與第三電晶體M₃之閘極分別連接第二節點N₂，且第三電晶體M₃與第四電晶體M4的源極連接栓鎖開關S₅。且栓鎖開關S₅較佳為N型金氧半場效電晶體，並可在電晶體的閘極施加操作電壓，藉以控制栓鎖開關S₅的導通或關閉狀態。

請注意，雖然第三電晶體M₃與第四電晶體M₄的臨界電壓會受製程因素的影響而產生偏差，但在第二階段中，第一節點N₁與第二節點N₂已經提昇過電位差。因此，提昇過的電位差已經足夠大到可以克服第三電晶體M₃與第四電晶體M₄的臨界電壓不匹配，以將兩個節點上的電位提昇至輸入電壓或零電位，並且藉由第一反相器Inv1或第二反相器Inv2的輸出端輸出比較結果。

此外，值得一提的是，本發明之電流感測放大器的設計上皆為全對稱設置，因此對製程上的電壓、噪音或溫度等變異因素具有高抵抗能力。

儘管前述實施例已同時說明本發明之電流感測放大之方法，但為使讀者能更加清楚明瞭，以下將再另外繪示流程圖搭配說明之。

請參閱第3圖，其係為本發明之電流感測放大之方法的流程圖。該圖中，此方法包含下列步驟：

在步驟S10中，提供一第一電流路徑及一第二電流路徑。該第一電流路徑包含依序相連之一第一電晶體、一第一開關及一第一負載。第二電流路徑包含依序相連之一第二電晶體、一第二開關及一第二負載。且第一電晶體及第一開關連接於一第一節點，該第二電晶體及第二開關連接於一第二節點。

在步驟S20中，提供一第三開關連接於第一電晶體之閘極與第一節點間，以及提供一第四開關連接於第二電晶體之閘極與第二節點間。

在步驟S30中，提供一第一電容連接於第一電晶體之閘極與第二節點間，以及提供一第二電容連接第二電晶體之閘極與第一節點 間。

在步驟S40中，提供一栓鎖電路連接第一節點與第二節點。

在步驟S50中，提供一栓鎖開關連接於栓鎖電路與一接地端間。

在步驟S60中，關閉第一、第二、第三與第四開關，且關閉栓鎖開關，以使一第一電流與一第二電流分別於第一電流路徑及第二電流路徑流通，並於第一節點與第二節點間產生一電位差。

在步驟S70中，關閉第一、第二、第三與第四開關，且導通栓鎖開關，以使第一電晶體與第二電晶體提昇此電位差。

在步驟S80中，導通栓鎖開關以啟動栓鎖電路，藉以將第一節點或第二節點其中之一之電位提昇為輸入電壓之電壓值，以及將第一節點或第二節點其中另一之電位降低至零電位。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

C₁‧‧‧第一電容

C₂‧‧‧第二電容

Cp1‧‧‧第一電流路徑

Cp2‧‧‧第二電流路徑

I₁‧‧‧第一電流

I₂‧‧‧第一電流

M₁‧‧‧第一電晶體

M₂‧‧‧第二電晶體

M₃‧‧‧第三電晶體

M₄‧‧‧第四電晶體

N₁‧‧‧第一節點

N₂‧‧‧第二節點

R₁‧‧‧第一負載

R₂‧‧‧第二負載

S₁‧‧‧第一開關

S₂‧‧‧第二開關

S₃‧‧‧第三開關

S₄‧‧‧第四開關

S₅‧‧‧栓鎖開關

Vdd‧‧‧電壓輸入端

Claims (12)

1. 一種電流感測放大器，係包含：一電壓輸入端，係提供一輸入電壓；一第一電流路徑，係包含依序相連之一第一電晶體、一第一開關及一第一負載，該第一電晶體及該第一開關連接於一第一節點，且該第一電晶體之源極連接該電壓輸入端；一第二電流路徑，係包含依序相連之一第二電晶體、一第二開關及一第二負載，該第二電晶體及該第二開關連接於一第二節點，且該第二電晶體之源極連接該電壓輸入端；一第三開關，係連接於該第一電晶體之閘極與該第一節點間；一第四開關，係連接於該第二電晶體之閘極與該第二節點間；一第一電容，係連接於該第一電晶體之閘極與該第二節點間；一第二電容，係連接於該第二電晶體之閘極與該第一節點間；一栓鎖電路，係連接於該第一節點與該第二節點；以及一栓鎖開關，連接於該栓鎖電路與一接地端間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流感測放大器，其中當該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關同時被導通且該栓鎖開關被關閉時，一第一電流與一第二電流分別於該第一電流路徑及該第二電流路徑流通，並於該第一節點與該第二節點間產生一電位差，該電位差係為該第一電晶體之閘極之一第一閘極電位與該第二電晶體之閘極之一第二閘極電位之差值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電流感測放大器，其中當該第一開關 、該第二開關、該第三開關、該第四開關及該栓鎖開關同時被關閉時，該第一電容與該第二電容係分別耦合該第一閘極電位與該第二閘極電位至該第一電晶體與該第二電晶體，以使該第一電晶體與該第二電晶體放大該電位差。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電流感測放大器，其中當該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關同時被關閉，且該栓鎖開關被開啟時，該栓鎖電路係將該第一節點或該第二節點其中之一之電位提昇為該輸入電壓之電壓值，且將該第一節點或該第二節點其中另一之電位降低至零電位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電流感測放大器，其中該栓鎖電路包含一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體之汲極與該第四電晶體之閘極分別與該第一節點相接，該第四電晶體之汲極與該第三電晶體之閘極分別與該第二節點相接，且該第三電晶體之源極與該第四電晶體之源極相接於該栓鎖開關。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電流感測放大器，其中該第三電晶體與該第四電晶體係為金氧半場效電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電流感測放大器，其中該第一電晶體與該第二電晶體為P型金氧半場效電晶體，且該第一電晶體與該第二電晶體被操作於次臨界區(Sub-threshold Region)。
8. 一種電流感測放大之方法，包含：提供一第一電流路徑及一第二電流路徑，該第一電流路徑包含依序相連之一第一電晶體、一第一開關及一第一負載，該第二電流路徑包含依序相連之一第二電晶體、一第二開關及一第二負載，且該第一電晶體及該第一開關連接於一第一節點，該第二電晶體及該第二開關連接於一第二節點； 提供一第三開關連接於該第一電晶體之閘極與該第一節點間，以及提供一第四開關連接於該第二電晶體之閘極與該第二節點間；提供一第一電容連接於該第一電晶體之閘極與該第二節點間，以及提供一第二電容連接於該第二電晶體之閘極與該第一節點間；提供一栓鎖電路連接於該第一節點與該第二節點間；提供一栓鎖開關連接於該栓鎖電路與一接地端間；導通該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關，且關閉該栓鎖開關，以使一第一電流與一第二電流分別於該第一電流路徑及該第二電流路徑流通，並於該第一節點與該第二節點間產生一電位差，該電位差係為該第一電晶體之閘極之一第一閘極電位與該第二電晶體之閘極之一第二閘極電位之差值；關閉該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關以及該栓鎖開關，以使該第一電容與該第二電容係分別耦合該第一閘極電位與該第二閘極電位至該第一電晶體與該第二電晶體，並使該第一電晶體與該第二電晶體放大該電位差；關閉該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關，且導通該栓鎖開關，使該栓鎖電路將該第一節點或該第二節點其中之一之電位提昇為該輸入電壓之電壓值，以及將該第一節點或該第二節點其中另一之電位降低至零電位。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電流感測放大之方法，其中該栓鎖電路包含一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體之汲極與該第四電晶體之閘極分別與該第一節點相接，該第四電晶體之汲極與該第三電晶體之閘極分別與該第二節點相接，且該第三電晶體之源極與該第四電晶體之源極相接於該栓鎖開關。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電流感測放大之方法，其中該第三電 晶體與該第四電晶體係為金氧半場效電晶體。
11. 如申請專利範圍第8項所述之電流感測放大之方法，其中該第一電晶體與該第二電晶體為P型金氧半場效電晶體，且該第一電晶體與該第二電晶體被操作於次臨界區。
12. 如申請專利範圍第8項所述之電流感測放大之方法，更包含提供一第一反相器與一第二反相器分別連接該第一節點與該第二節點，以使該第一反相器或第二反相器分別根據該第一節點或該第二節點之電位輸出一電流比較結果。