WO2002035704A1 - Logic circuit - Google Patents
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- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
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- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
- G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
Definitions
- a logic circuit arrangement of the type mentioned at the beginning provides according to the invention that means are provided for generating a further magnetic field which is essentially perpendicular to the magnetization of the soft magnetic layer, as required.
- the magnetic field which can be generated with the means provided according to the invention and which is perpendicular to the magnetization of the soft magnetic layer, which can be rotated with a sufficiently high magnetic field via the field which can be generated via the conductor with the signal connections, is particularly advantageously possible for rotating or switching the magnetization of the soft magnetic layer to reduce the required coercive force.
- the rotating process in the magnetic layer also occurs faster than the switching in the logic circuit arrangement described in the publication mentioned at the beginning.
- the means for example the further conductor, is expediently assigned a switching or control element, via which the generation of the further magnetic field can be controlled.
- a switching or control element Any such element can be used as such a switching or control element which makes it possible to conduct a current over the conductor which is connected to a corresponding current source when it is necessary.
- An MRAM memory cell that is to say a magnetic random access memory cell, can be expediently used as such a switching or control element, the state of which is used to define the current supply operation of the further conductor.
- a switching or control element with non-volatile switching or control information is expediently used.
- the means for generating a low bias magnetic field which acts essentially continuously on the magnetoresistive element, and a higher magnetic field.
- the bias magnetic field lowers the bias magnetic field
- Coercive field strength too, but only slightly, which is advantageous in that the hysteresis curve becomes "more homogeneous".
- the magnetoresistive element or reference element is therefore somewhat pretensioned
- the magnetic field that actually defines the function of the logic circuit arrangement is significantly higher and significantly reduces the coercive field strength.
- an amplifier element is assigned to a magnetoresistive element - of whatever type - in order to amplify the output signal, so that it can be used as an input signal for other logic elements.
- the logic circuit arrangement according to the invention enables the construction of a basic logic element comprising only one magnetoresistive element with associated arranged. Head and other head, the assignment of a reference element is optional.
- the simplicity of the construction consequently enables the likewise simple and substantially smaller construction of a larger logic circuit arrangement which comprises a multiplicity of magnetoresistive elements arranged in the manner of an array, optionally assigned reference elements, with assigned conductors and further conductors and optionally amplifier elements.
- Field-programmable logic arrays can thus be formed in a simple manner, which can be used together with integrated circuits.
- GMR giant magnetoresistive
- TMR tunnel magnetoresistive
- the means can comprise a plurality of further conductors which are assigned to the magnetoresistive element, are located one above the other and / or next to one another and are electrically insulated from one another and are energized together to generate the perpendicularly acting magnetic field.
- An alternative to the invention for using separate further conductors which are electrically insulated with respect to the magnetoresistive element provides that the current lines of the magnetoresistive element serve as further conductors.
- a tunnel current is applied to the magnetoresistive element during operation.
- the lines provided for this purpose can expediently also serve as additional conductors for generating this perpendicular magnetic field.
- the hard magnetic reference layer of a magnetoresistive element can be remagnetized via the field that can be generated when the conductor is energized with the signal connections.
- This offers the possibility to change the basic function of the logic circuit, which depends on the orientation of the Magnetization of the reference layer is. If high currents are conducted through the signal connections, which of course must be significantly higher than the normal signals, since the reference layer magnetization must of course not change during normal operation, it is possible, for example, to
- FIG. 1 is a schematic diagram of a logic circuit arrangement of a first embodiment
- Fig. 2 is a schematic diagram of an idealized switching curve of a magnetoresistive element with asteroid switching behavior
- Fig. 3 shows a second embodiment of a logic circuit arrangement according to the invention with a reference element.
- a logic circuit arrangement 1 consisting of a magnetoresistive element 2, for example a GMR or a TMR element.
- This magnetoresistive element can be supplied with a measuring current I 0 via suitable feed lines, the size of the measuring voltages which can be tapped depending on how the magnetization of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element relates to the magnetization of the hard magnetic reference layer.
- the basic function of a GMR or TMR element is well known, it does not need to be discussed here.
- a conductor 3 which can also be energized, runs across the magnetoresistive element 2 and, when energized, a magnetic field at the location of the soft magnetic see layer of magnetoresistive element 2 generated.
- the current I A / B in conductor 3 is added up from the individual currents of the two logic inputs A and B, to which corresponding logic signals can be applied.
- the voltage drop U across the magnetoresistive element is the logic output.
- the current-voltage curve of a magnetoresistive element 2 follows directly from the hysteresis curve of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element and ideally assumes two discrete values at constant I 0 , which define a logical "0" (U 0 ) and a logical "1" (Ui) serve.
- I 0 constant index
- U 0 logical "0"
- Ui logical "1"
- logic circuit Two discrete current values of logic inputs A and B are defined as logic “1” (1 (1)) and logic “0” (1 (0)).
- logic circuit Two discrete current values of logic inputs A and B are defined as logic “1” (1 (1)) and logic “0” (1 (0)).
- the magnetization of the soft magnetic layer and thus the change in the voltage U from logical "0" to logical “1” is defined Logic circuit as 0R, NOR, AND or NAND function.
- the switching behavior and specifically the coercive field strength H of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 define the function of the logic circuit. If H c is small, so that a logical "1" at one of the inputs A, B is sufficient to switch from U (0) to U (l), then there is an OR function (switches the element from U ( l) according to U (0), there is a NOR function.) If H c is so large that a logical "1" must be present at both logic inputs so that the magnetic field generated via conductor 3 is sufficiently large for the magnetoresistive element 2 and thus switches the voltage, there is an AND function (and accordingly a NAND function when switching from U (l) to U (0)). > UJ to bO P 1 P>
- the information as to whether the further conductor 4 is energized and thus a magnetic field H P is to be applied or not is specified via a switching or control element 6, in the example shown an M-RAM memory cell 7.
- An amplifier element 8 serves for signal amplification in order to be able to control one or more logic inputs of other logic functions.
- FIG. 3 shows a further embodiment of a logic circuit 9 according to the invention.
- a second magnetoresistive reference element 2 X is provided, above which a conductor 3 also runs in an electrically insulated manner, so that also this reference element 2 'is switched with a magnetic field like the actual measuring element 2.
- a reference voltage U R is tapped in the same way ideally, in the range ⁇ U max U R ⁇ U m i n, said U max, U m i n the maximum and minimum voltage drop across the element 2 in stream 1 (0).
- the invention specifies a field-programmable logic circuit arrangement that requires considerably fewer elements and can therefore be built up on a smaller area on a wafer. Furthermore, its function can be switched over at any time in a simple manner. Switching takes place in a rotation process that allows faster signal processing.
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Abstract
The invention relates to a logic circuit, comprising at least one magnetoresistive element to which a conductor with at least two signal connections is allocated. Said conductor, when carrying a current, enables the generation of a magnetic field which acts on said magnetoresistive element and by which means the magnetisation of a soft magnetic layer of the magnetoresistive element can be switched. Means are provided for generating another magnetic field that is essentially perpendicular to the magnetisation of the soft magnetic layer, according to necessity.
Description
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Logikschaltungsan- ordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, das Mittel zum bedarfsabhängigen Erzeugen eines im We- sentlichen senkrecht zur Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht stehenden weiteren Magnetfelds vorgesehen sind.In order to solve this problem, a logic circuit arrangement of the type mentioned at the beginning provides according to the invention that means are provided for generating a further magnetic field which is essentially perpendicular to the magnetization of the soft magnetic layer, as required.
Das mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Mitteln erzeugbare Magnetfeld, das senkrecht zur Magnetisierung der weichmagne- tischen Schicht, die über das über den Leiter mit den Signalanschlüssen erzeugbare Feld bei hinreichend hohem Magnetfeld gedreht werden kann, steht, ist es mit besonderem Vorteil möglich, die zum Drehen bzw. Umschalten der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht erforderliche Koerzitivfeld- stärke zu verringern. Dies führt dazu, dass ein geringeres, von den über den Leiter geführten Signalströmen erzeugbares Magnetfeld zum Umschalten erforderlich ist. Der Drehprozess in der magnetischen Schicht geschieht außerdem schneller als das Umschalten bei der in der eingangs benannten Veröffentli- chung beschriebenen Logikschaltungsanordnung.The magnetic field which can be generated with the means provided according to the invention and which is perpendicular to the magnetization of the soft magnetic layer, which can be rotated with a sufficiently high magnetic field via the field which can be generated via the conductor with the signal connections, is particularly advantageously possible for rotating or switching the magnetization of the soft magnetic layer to reduce the required coercive force. This means that a lower magnetic field that can be generated by the signal currents carried over the conductor is required for switching. The rotating process in the magnetic layer also occurs faster than the switching in the logic circuit arrangement described in the publication mentioned at the beginning.
Ist kein senkrecht stehendes Magnetfeld vorhanden, so ist die zum Umschalten erforderliche Koerzitivfeidstärke hoch. Um nun die Magnetisierung zu drehen, müssen über beide Signalan- Schlüsse Signale gegeben werden, so dass additiv ein hinreichend hoher Strom über den Leiter fließt, der ein hinreichend hohes Magnetfeld erzeugt, das eine Feldstärke besitzt, die gleich oder größer der Koerzitivfeidstärke ist. In diesem Fall ist also eine AND-Logik realisiert. Wird nun das senk- recht stehende Magnetfeld erzeugt, so verringert sich dieIf there is no vertical magnetic field, the coercive field strength required for switching is high. In order to turn the magnetization, signals have to be given via both signal connections so that additively a sufficiently high current flows over the conductor, which generates a sufficiently high magnetic field that has a field strength that is equal to or greater than the coercive field strength. In this case, AND logic is implemented. If the vertical magnetic field is now generated, the magnetic field is reduced
Koerzitivfeidstärke. Zum Drehen ist es dann bereits ausreichend, wenn lediglich ein Signal und damit nur der halbe Strom über den Leiter fließt, d.h., es ist ein niedrigeres Magnetfeld zum Umschalten ausreichend. In diesem Fall wäre eine OR-Funktion realisiert (da jedes der Signale individuell zum Schalten ausreicht) .
tsJ tsJ F1 Coercive field strength. For turning it is already sufficient if only one signal and thus only half the current flows through the conductor, ie a lower magnetic field is sufficient for switching. In this case, an OR function would be implemented (since each of the signals is sufficient for switching individually). tsJ tsJ F 1
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1 1 1 1 Φ φ 1 1 CO
Den Mitteln, also beispielsweise dem weiteren Leiter, ist zweckmäßigerweise ein Schalt- oder Steuerelement zugeordnet, über das die Erzeugung des weiteren Magnetfelds steuerbar ist. Als ein solches Schalt- oder Steuerelement kann jedes beliebige Element dienen, das es ermöglicht, dann wenn es erforderlich ist einen Strom über den Leiter, der mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden ist, zu führen. Als ein solches Schalt- oder Steuerelement kann zweckmäßigerweise eine MRAM-Speicherzelle, also eine magnetic-random-access- memory-Zelle verwendet werden, über deren Zustand der Bestro- mungsbetrieb des weiteren Leiters definiert wird. Zweckmäßigerweise wird ein Schalt- oder Steuerelement mit nicht flüchtig gespeicherter Schalt- oder Steuerinformation verwendet.The means, for example the further conductor, is expediently assigned a switching or control element, via which the generation of the further magnetic field can be controlled. Any such element can be used as such a switching or control element which makes it possible to conduct a current over the conductor which is connected to a corresponding current source when it is necessary. An MRAM memory cell, that is to say a magnetic random access memory cell, can be expediently used as such a switching or control element, the state of which is used to define the current supply operation of the further conductor. A switching or control element with non-volatile switching or control information is expediently used.
Nach einer vorteilhaften Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Erzeugen eines niedrigen Bias-Magnetfelds, das im Wesentlichen kontinuierlich auf das magnetoresistive Element einwirkt, und eines höheren Magnet- felds ausgebildet ist. Das Bias-Magnetfeld erniedrigt dieAccording to an advantageous embodiment of the invention it can be provided that the means for generating a low bias magnetic field, which acts essentially continuously on the magnetoresistive element, and a higher magnetic field. The bias magnetic field lowers the
Koerzitivfeldstärke ebenfalls, jedoch nur gering, was dahingehend von Vorteil ist, als die Hysteresekurve „homogener" wird. Man nähert sich einem idealen Schaltverhalten, das Schalten ist schneller möglich. Das magnetoresistive Element bzw. Referenz-Element wird also etwas vorgespannt. Demgegenüber ist das Eigentliche die Funktion der Logikschaltungsanordnung definierende Magnetfeld wesentlich höher und erniedrigt die Koerzitivfeidstärke deutlich.Coercive field strength, too, but only slightly, which is advantageous in that the hysteresis curve becomes "more homogeneous". One approaches ideal switching behavior, switching is possible more quickly. The magnetoresistive element or reference element is therefore somewhat pretensioned The magnetic field that actually defines the function of the logic circuit arrangement is significantly higher and significantly reduces the coercive field strength.
Zweckmäßig kann es ferner sein, wenn einem magnetoresistiven Element - gleich welcher Art - ein Verstärkerelement zugeordnet ist, um das Ausgangssignal zu verstärken, so dass es als Eingangssignal für andere Logikelemente benutzt werden kann.It may furthermore be expedient if an amplifier element is assigned to a magnetoresistive element - of whatever type - in order to amplify the output signal, so that it can be used as an input signal for other logic elements.
Wie bereits beschrieben ermöglicht die erfindungsgemäße Logikschaltungsanordnung den Aufbau eines Logikgrundelements umfassend lediglich ein magnetoresistives Element mit zuge-
ordneten. Leiter und weiterem Leiter, die Beiordnung eines Referenz-Elements ist optional. Die Einfachheit des Aufbaus ermöglicht infolgedessen den ebenfalls einfachen und wesentlich kleineren Aufbau einer größeren Logikschaltungsanordnung, die eine Vielzahl von array-artig angeordneten magnetoresistiven Elementen, gegebenenfalls zugeordneten Referenz-Elementen, mit zugeordneten Leitern und weiteren Leitern und gegebenenfalls Verstärkerelementen umfasst. Es können also auf einfache Weise feldprogrammierbare Logikarrays gebildet werden, die zusammen mit integrierten Schaltungen eingesetzt werden können .As already described, the logic circuit arrangement according to the invention enables the construction of a basic logic element comprising only one magnetoresistive element with associated arranged. Head and other head, the assignment of a reference element is optional. The simplicity of the construction consequently enables the likewise simple and substantially smaller construction of a larger logic circuit arrangement which comprises a multiplicity of magnetoresistive elements arranged in the manner of an array, optionally assigned reference elements, with assigned conductors and further conductors and optionally amplifier elements. Field-programmable logic arrays can thus be formed in a simple manner, which can be used together with integrated circuits.
Als magnetoresistive Elemente bzw. Referenz-Elemente können zweckmäßigerweise GMR- (giant magnetoresistive) oder TMR- (tunneling magnetoresistive) Elemente verwendet werden.GMR (giant magnetoresistive) or TMR (tunneling magnetoresistive) elements can expediently be used as magnetoresistive elements or reference elements.
Ferner können die Mittel erfindungsgemäß mehrere weitere dem magnetoresistiven Element zugeordnete, über- und/oder nebeneinander liegende und elektrisch voneinander isolierte Leiter umfassen, die zur Erzeugung des senkrecht wirkenden Magnetfelds gemeinsam bestromt werden.Furthermore, according to the invention, the means can comprise a plurality of further conductors which are assigned to the magnetoresistive element, are located one above the other and / or next to one another and are electrically insulated from one another and are energized together to generate the perpendicularly acting magnetic field.
Eine Erfindungsalternative zur Verwendung separater und elektrisch bezüglich des magnetoresistiven Elements isolierter weiterer Leiter sieht vor, dass als weitere Leiter die Stromleitungen des magnetoresistiven Elements dienen. Das magnetoresistive Element wird im Betrieb mit einem Tunnelstrom beaufschlagt. Die hierzu vorgesehenen Leitungen können zweckmäßigerweise auch als weitere Leiter zur Erzeugung dieses senk- rechten Magnetfelds dienen.An alternative to the invention for using separate further conductors which are electrically insulated with respect to the magnetoresistive element provides that the current lines of the magnetoresistive element serve as further conductors. A tunnel current is applied to the magnetoresistive element during operation. The lines provided for this purpose can expediently also serve as additional conductors for generating this perpendicular magnetic field.
Schließlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die hartmagnetische Referenzschicht eines magnetoresistiven Elements über das bei Bestromung des Leiters mit den Signalan- Schlüssen erzeugbare Feld im Bedarfsfall ummagnetisierbar ist. Dies bietet die Möglichkeit, die Grundfunktion der Logikschaltung zu ändern, die abhängig von der Ausrichtung der
Magnetisierung der Referenzschicht ist. Werden also über die Signalanschlüsse hohe Ströme geführt, die natürlich deutlich höher sein müssen als die normalen Signale, da sich beim normalen Betrieb die Referenzschichtmagnetisierung natürlich nicht ändern darf, so ist es beispielsweise möglich, dieFinally, it can be provided according to the invention that the hard magnetic reference layer of a magnetoresistive element can be remagnetized via the field that can be generated when the conductor is energized with the signal connections. This offers the possibility to change the basic function of the logic circuit, which depends on the orientation of the Magnetization of the reference layer is. If high currents are conducted through the signal connections, which of course must be significantly higher than the normal signals, since the reference layer magnetization must of course not change during normal operation, it is possible, for example, to
Schaltungsfunktion von einer „OR"- in eine „NA D" -Funktion zu ändern .Change circuit function from an "OR" to an "NA D" function.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention emerge from the exemplary embodiments described below and from the drawings. Show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Logikschaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform,1 is a schematic diagram of a logic circuit arrangement of a first embodiment,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer idealisierten Schaltkurve eines magnetoresistiven Elements mit Asteroid- Schaltverhalten, undFig. 2 is a schematic diagram of an idealized switching curve of a magnetoresistive element with asteroid switching behavior, and
Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Logikschaltungsanordnung mit Referenz-Element.Fig. 3 shows a second embodiment of a logic circuit arrangement according to the invention with a reference element.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Logikschaltungsanordnung 1 bestehend aus einem magnetoresistiven Element 2, beispiels- weise einem GMR- oder einem TMR-Element. Dieses magnetoresistive Element ist über geeignete Zuleitungen mit einem Messstrom I0 bestrombar, wobei die Größe der abgreifbaren MessSpannungen abhängig davon ist, wie die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements zur Magnetisierung der hartmagnetischen Referenzschicht steht. Die Grundfunktion eines GMR- oder TMR-Elements ist hinreichend bekannt, auf sie muss hier nicht näher eingegangen werden.1 shows a logic circuit arrangement 1 according to the invention consisting of a magnetoresistive element 2, for example a GMR or a TMR element. This magnetoresistive element can be supplied with a measuring current I 0 via suitable feed lines, the size of the measuring voltages which can be tapped depending on how the magnetization of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element relates to the magnetization of the hard magnetic reference layer. The basic function of a GMR or TMR element is well known, it does not need to be discussed here.
Elektrisch isoliert verläuft quer über dem magnetoresistiven Element 2 ein ebenfalls bestrombarer Leiter 3, der im bestromten Zustand ein Magnetfeld am Ort der weichmagneti-
sehen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 erzeugt. Der Strom IA/B im Leiter 3 addiert sich aus den Einzelströmen der beiden Logikeingänge A und B, an die entsprechende Logiksignale gelegt werden können. Der Spannungsabfall U über dem magnetoresistiven Element ist der logische Ausgang.Electrically insulated, a conductor 3, which can also be energized, runs across the magnetoresistive element 2 and, when energized, a magnetic field at the location of the soft magnetic see layer of magnetoresistive element 2 generated. The current I A / B in conductor 3 is added up from the individual currents of the two logic inputs A and B, to which corresponding logic signals can be applied. The voltage drop U across the magnetoresistive element is the logic output.
Der Strom-Spannungsverlauf eines magnetoresistiven Elements 2 folgt direkt aus der Hysteresekurve der weichmagnetisehen Schicht des magnetoresistiven Elements und nimmt im Idealfall bei konstantem I0 zwei diskrete Werte an, die zur Definition einer logischen „0" (U0) und einer logischen „1" (Ui) dienen. Das Grundprinzip bzw. der prinzipielle Verlauf ist in Fig. 2 anhand der ausgezogenen Hysteresekurve dargestellt.The current-voltage curve of a magnetoresistive element 2 follows directly from the hysteresis curve of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element and ideally assumes two discrete values at constant I 0 , which define a logical "0" (U 0 ) and a logical "1" (Ui) serve. The basic principle or the basic course is shown in FIG. 2 on the basis of the extended hysteresis curve.
Zwei diskrete Stromwerte der Logikeingänge A und B werden als logische „1" (1(1)) und logische „0" (1(0)) definiert. Je nachdem, bei welchen Stromkombinationen bzw. den sich daraus ergebenden Strömen und damit Magnetfeldern über dem magnetoresistiven Element 2 die Ummagnetisierung der weichmagneti- sehen Schicht und damit die Änderung der Spannung U von logischer „0" nach logischer „1" schaltet, definiert sich die Logikschaltung als 0R-, NOR-, AND- oder NAND-Funktion.Two discrete current values of logic inputs A and B are defined as logic "1" (1 (1)) and logic "0" (1 (0)). Depending on the current combinations or the resulting currents and thus magnetic fields across the magnetoresistive element 2, the magnetization of the soft magnetic layer and thus the change in the voltage U from logical "0" to logical "1" is defined Logic circuit as 0R, NOR, AND or NAND function.
Sind 1(0), 1(1), U(0) und U(l) einmal global festgelegt, dann definiert das Schaltverhalten und dabei konkret die Koerzitivfeidstärke H der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 die Funktion der logischen Schaltung. Ist Hc klein, so dass bereits eine logische „1" an einem der Eingänge A, B genügt, um von U(0) nach U(l) zu schalten, so liegt eine OR-Funktion vor (schaltet das Element von U(l) nach U(0), so liegt eine NOR-Funktion vor) . Ist Hc so groß, dass an beiden logischen Eingängen eine logische „1" anliegen muss, damit das über den Leiter 3 erzeugte Magnetfeld hinreichend groß ist, damit das magnetoresistive Element 2 ummagne- tisiert und damit die Spannung schaltet, so liegt eine AND- Funktion vor (und entsprechend bei einem Umschalten von U(l) nach U(0) eine NAND-Funktion) .
> UJ to bO P1 P>Once 1 (0), 1 (1), U (0) and U (l) are defined globally, then the switching behavior and specifically the coercive field strength H of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 define the function of the logic circuit. If H c is small, so that a logical "1" at one of the inputs A, B is sufficient to switch from U (0) to U (l), then there is an OR function (switches the element from U ( l) according to U (0), there is a NOR function.) If H c is so large that a logical "1" must be present at both logic inputs so that the magnetic field generated via conductor 3 is sufficiently large for the magnetoresistive element 2 and thus switches the voltage, there is an AND function (and accordingly a NAND function when switching from U (l) to U (0)). > UJ to bO P 1 P>
CJl o LΠ o LΠ o LΠCJl o LΠ o LΠ o LΠ
? s; α? s; α
P Φ d d P- H d Ω Ω rj1 tr o 3 o P QP Φ dd P- H d Ω Ω rj 1 tr o 3 o PQ
3 LQ Φ3 LQ Φ
F- d Φ rr Φ P- rr CQF- d Φ rr Φ P- rr CQ
Pi F- dPi F- d
F- CQ φF- CQ φ
Φ Ω rr tr Φ t Φ o d <Φ Ω rr tr Φ t Φ o d <
CQ PCQ P
F- to liF- to li
- Ω P-- Ω P-
CΩ tr PCΩ tr P
Ω F- rr tr Ω F-Ω F- rr tr Ω F-
P tr 0 rr d rr d Pi d ΦP tr 0 rr d rr d Pi d Φ
P1 3 «P 1 3 «
P OP O
F- cQ Φ d d tiF- cQ Φ d d ti
Φ NΦ N
F- rr P- tr O rr ii ti P-F- rr P- tr O rr ii ti P-
Φ Φ <Φ Φ <
H CΩ MlH CΩ Ml
P- ΦP- Φ
T CΩ d rr Pi d P- LQT CΩ d rr Pi d P-LQ
-V < rr rr Φ p:-V <rr rr Φ p:
F- d tiF- d ti
O V d M ΦO V d M Φ
Pi Φ XPi Φ X
Φ 3 nΦ 3 n
ΦΦ
P- d Pi d rr φP- d Pi d rr φ
Funktion durch das externe Magnetfeld umprogrammiert werden, gleichermaßen ist eine Umprogrammierung von einer NAND- in eine NOR-Funktion möglich, je nach Definition der Ein- und Ausgänge.Function can be reprogrammed by the external magnetic field, reprogramming from a NAND to a NOR function is also possible, depending on the definition of the inputs and outputs.
Im Strom-Spannungs-Verlauf äußert sich dies dadurch, dass - siehe idealisiert in Fig. 2 - die Hysteresekurve schmäler wird. Die ausgezogene idealisierte Schaltkurve erhält man, wenn IP=0 gegeben ist. Wird ein Strom IP=IX über den weiteren Leiter 4 geführt, so nimmt der erforderliche Umschaltstrom ab, wie durch die gestrichelte Linie angegeben ist. Ist bei der ausgezogenen Kurve noch die Summe beider an den Eingängen A und B anliegenden Signale erforderlich (AND-Funktion) , so ist gemäß der gestrichelten Linie nur noch ein an einem der Eingänge A oder B anliegendes Signal zum Umschalten vonnöten.This is expressed in the current-voltage curve by the fact that - see idealized in FIG. 2 - the hysteresis curve becomes narrower. The idealized switching curve is obtained if I P = 0. If a current I P = I X is conducted over the further conductor 4, the required switching current decreases, as indicated by the dashed line. If the sum of the two signals present at inputs A and B is still required for the solid curve (AND function), only a signal present at one of the inputs A or B is required to switch over according to the broken line.
Die Information, ob der weitere Leiter 4 bestromt und damit ein Magnetfeld HP angelegt werden soll oder nicht, wird über ein Schalt- oder Steuerelement 6, im gezeigten Beispiel eine M-RAM-Speicherzelle 7, vorgegeben. Ein Verstärkerelement 8 dient zur- Signalverstärkung, um einen oder mehrere Logikeingänge anderer Logikfunktionen ansteuern zu können.The information as to whether the further conductor 4 is energized and thus a magnetic field H P is to be applied or not is specified via a switching or control element 6, in the example shown an M-RAM memory cell 7. An amplifier element 8 serves for signal amplification in order to be able to control one or more logic inputs of other logic functions.
Nachfolgend wird ein Beispiel gegeben, wie die logischen Ein- und Ausgänge definiert werden können, um NAND-Funktion zu definieren:Below is an example of how the logic inputs and outputs can be defined to define NAND functions:
Die logischen Eingänge sind definiert:The logical inputs are defined:
logische „1": 1(1) =1* logische „0": I(0)=-0.5 I*logical "1": 1 (1) = 1 * logical "0": I (0) = - 0.5 I *
Die logischen Ausgänge sind definiert:The logical outputs are defined:
logische „1": U{l)=Uι logische „0": U(0)=U0.
Bevor eine logische Funktion ausgeführt wird ist das magnetoresistive Element 2 in einen definierten Ausgangszustand zu bringen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel an beide Eingänge eine logische 0 angelegt wird (reset-Funktion) . Es liegt also an beiden Eingängen ein Strom 1(0) =-0.5 I* an. Gemäß o- biger Definition und dem bezüglich Fig. 2 beschriebenen Astroid-Schaltverhalten folgt, dass bei IP=0 eine NAND- Funktion vorliegt, bei IP=I λ liegt eine NOR-Funktion vor.logical "1": U {l) = Uι logical "0": U (0) = U 0 . Before a logic function is carried out, the magnetoresistive element 2 must be brought into a defined initial state, a logic 0 being applied to both inputs in this exemplary embodiment (reset function). There is therefore a current of 1 (0) = -0.5 I * at both inputs. According to the above definition and the astroid switching behavior described with reference to FIG. 2, it follows that if I P = 0 there is a NAND function, if I P = I λ there is a NOR function.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Logikschaltung 9. Diese entspricht insoweit der Logikschaltung gemäß Fig. 1, jedoch ist hier ein zweites magneto- resistives Referenz-Element 2X vorgesehen, oberhalb welchem ebenfalls elektrisch isoliert ein Leiter 3 verläuft, so dass auch dieses Referenz-Element 2 ' mit einem Magnetfeld geschaltet wird wie das eigentliche Messelement 2. Über das magneto- resistives Referenz-Element 2 ' , bei dem ebenfalls ein konstanter Strom 1(0) anliegt, wird gleichermaßen eine Referenzspannung UR abgegriffen, die im Idealfall im Bereich Umax ≤ UR < Umin liegt, wobei Umax, Umin der maximale bzw. minimale Spannungsabfall am Element 2 bei Strom 1(0) ist.3 shows a further embodiment of a logic circuit 9 according to the invention. In this respect, it corresponds to the logic circuit according to FIG. 1, but here a second magnetoresistive reference element 2 X is provided, above which a conductor 3 also runs in an electrically insulated manner, so that also this reference element 2 'is switched with a magnetic field like the actual measuring element 2. Via the magnetoresistive reference element 2', in which a constant current 1 (0) is also present, a reference voltage U R is tapped in the same way ideally, in the range ≤ U max U R <U m i n, said U max, U m i n the maximum and minimum voltage drop across the element 2 in stream 1 (0).
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Erfindung eine feldprogrammierbare Logikschaltungsanordnung angibt, die we- sentlich weniger Elemente benötigt und mithin auf einer geringeren Fläche auf einem Wafer aufgebaut werden kann, weiter kann sie auf einfache Weise jederzeit in ihrer Funktion umgeschalten werden. Das Umschalten findet in einem Rotationspro- zess statt, der eine schnellere Signalverarbeitung erlaubt.
In summary, it should be noted that the invention specifies a field-programmable logic circuit arrangement that requires considerably fewer elements and can therefore be built up on a smaller area on a wafer. Furthermore, its function can be switched over at any time in a simple manner. Switching takes place in a rotation process that allows faster signal processing.
Claims
1. Logikschaltungsanordnung, mit mindestens einem magnetoresistiven Element, dem ein Leiter mit mindestens zwei Sig- nalanschlüssen zugeordnet ist, mittels dem im stromdurchflossenen Zustand ein auf das magnetoresistive Element einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist, mittels dem die Magnetisierung einer weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements umschaltbar ist, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass Mittel zum bedarfsabhängigen Erzeugen eines im Wesentlichen senkrecht zur Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht stehenden weiteren Magnetfelds (Hp) vorgesehen sind.1. logic circuit arrangement with at least one magnetoresistive element to which a conductor with at least two signal connections is assigned, by means of which a magnetic field acting on the magnetoresistive element can be generated in the current-carrying state, by means of which the magnetization of a soft magnetic layer of the magnetoresistive element can be switched over, characterized in that means are provided for generating a further magnetic field (H p ) which is essentially perpendicular to the magnetization of the soft magnetic layer.
2. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel mindestens einen bestrombaren weiteren Leiter (4) umfassen.2. Logic circuit arrangement according to claim 1, so that the means comprise at least one further current-carrying conductor (4).
3. Logikschaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der weitere Leiter (4) derart bemessen und angeordnet ist, das das von ihm erzeugbare Magnetfeld im Wesentlichen homogen auf das magnetoresistive Element (2) einwirkt.3. Logic circuit according to claim 2, so that the further conductor (4) is dimensioned and arranged in such a way that the magnetic field that can be generated by it acts essentially homogeneously on the magnetoresistive element (2).
4. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen (2) ein magnetoresistives Referenz-Element (2') mit eige- nem zugeordnetem Mittel zugeordnet ist.4. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one or more magnetoresistive elements (2) is assigned a magnetoresistive reference element (2 ') with its own assigned means.
5. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass den Mitteln ein Schalt- oder Steuerelement (6) zugeordnet ist, über das die Erzeugung des weiteren Magnetfelds (Hp) steuerbar ist. 5. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the means is assigned a switching or control element (6) via which the generation of the further magnetic field (H p ) can be controlled.
6.Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es ein Schalt- oder Steuerelement mit nicht flüchtig gespeicherter Steuerinformation ist.6. Logic circuit arrangement according to claim 5, which also means that it is a switching or control element with non-volatile stored control information.
7. Logikschaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schalt- oder Steuerelement (6) eine MRAM-Speicherzelle (7) ist .7. Logic circuit arrangement according to claim 5 or 6, that the switch or control element (6) is an MRAM memory cell (7).
8. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel zum Erzeugen eines niedrigen Bias- Magnetfelds, das im Wesentlichen kontinuierlich auf das magnetoresistive Element wirkt, und eines höheren Magnetfelds ausgebildet ist.8. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the means for generating a low bias magnetic field, which acts essentially continuously on the magnetoresistive element, and a higher magnetic field is formed.
9. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , dass einem magnetoresistiven Element (2, 2') ein Verstärkerelement (8) zugeordnet ist.9. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t that a magnetoresistive element (2, 2 ') is associated with an amplifier element (8).
10. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , dass sie eine Vielzahl von arrayartig angeordneten magnetoresistiven Elementen (2) und gegebenenfalls Referenz- Elementen (2') mit zugeordneten Leitern (3) und weiteren Leitern (4) und gegebenenfalls Verstärkerelementen (8) aufweist.10. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of magnetoresistive elements (2) arranged in an array-like manner and optionally reference elements (2 ') with assigned conductors (3) and further conductors (4) and optionally amplifier elements ( 8).
11. Logikschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das magnetoresistive Element (2) bzw. Referenz-Element (2') ein GMR- oder ein TMR-Element ist.11. Logic circuit arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the magnetoresistive element (2) or reference element (2 ') is a GMR or a TMR element.
12. Logikschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittel mehrere weitere, dem magnetoresistiven Element (2) zu- geordnete, über- und/oder nebeneinander liegende und elektrisch voneinander isolierte Leiter umfassen.12. Logic circuit according to one of claims 2 to 11, characterized in that the means several more, the magnetoresistive element (2) zu- orderly, superimposed and / or juxtaposed and electrically insulated conductors.
13. Logikschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als weitere Leiter die Stromleitungen des magnetoresistiven Elements dienen.13. Logic circuit according to one of claims 2 to 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the current lines of the magnetoresistive element serve as further conductors.
14. Logikschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die hartmagnetische Referenzschicht eines magnetoresistiven Elements über das bei Bestromung des Leiters mit den Signalanschlüssen erzeugbare Feld im Bedarfsfall ummagnetisierbar ist . 14. Logic circuit according to one of the preceding claims, so that the hard magnetic reference layer of a magnetoresistive element can be remagnetized via the field that can be generated when the conductor is energized with the signal connections, if necessary.
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