新型深亞微米電流靈敏放大器技術設計

隨著便攜式電子設備(PDA、射頻卡、GPS等)的廣泛應用，半導體存儲器得到了長足的發展。半導體存儲器的性能將直接影響到系統在速度等方面的性能。因此，設計能夠高速存儲的存儲器便成為當今集成電路設計的一個研究熱點。

存儲器的速度主要決定于存儲器的讀取時間。存儲器的讀取時間主要是指從地址信號的輸入到數據信號的輸出所經歷的延遲時間，一般由地址輸入緩沖器、譯碼器、存儲單元、靈敏放大器、輸出緩沖器的延遲時間共同決定。因此，要減少存儲器的讀取時間，一般有兩種途徑：一是，減少從地址信號輸入到字線選通的延時，由于內部譯碼器等電路相對固定的形式，用這種方法減少延時是比較有限的；另一種是減少從字線選通到數據輸出所經歷的延時，這可以通過改進靈敏放大器的設計來實現。可見，高性能靈敏放大器的設計對于存儲器性能改進是至關重要的。

靈敏放大器的工作目的是通過放大位線上微小信號的變化而讀取存儲單元中的數據。一般可以分為電流型靈敏放大器和電壓型靈敏放大器兩種。由于電流靈敏放大器直接探測輸入電流的變化，可以克服電壓型靈敏放大器速度較慢、低工作電壓下小信號電壓增益減少等缺陷，因此電流靈敏放大器受到越來越多的關注。

與一般的靈敏放大器一樣，電流靈敏放大器的工作可以分為兩個過程：一是，預充電過程，即對位線(BitLine)的寄生電容進行充電，使之恢復到高電平，為下一次讀寫作準備；二是放大過程，即對位線信號進行放大處理，以讀取存儲單元所存儲的數據。本文就是在這兩個過程的基礎上，設計出一種新型的電流靈敏放大器。該放大器采用的預充電電路能夠在較長時間內(預充電周期以內)保持充電電流處于一個較大值，這樣可以減少預充電時間；同時采用兩級放大電路對位線信號進行放大，以確保增益、速度達到要求。

1?電流靈敏放大器的基本結構

圖1所示為電流靈敏放大器基本結構。其中：I_c是存儲單元的電流；I_r是參考電流；REF是輸出節點；I_bias是電路偏置電流。I_c由存儲單元所存儲的信息決定，當存儲信息為“1”時，I_c為大電流；當存儲信息為“0”時I_c為小電流；I_r的值介于I_c的大、小電流之間。REF節點輸出電壓為：



式中：r_out為輸出節點REF處的小信號電阻。當I_c≥I_r時，M₂將處于截止區，輸出端的電壓將上拉到電源電壓V_DD；I_c≤I_r時，M₂將處于線性區，輸出端的值將接近于0 V。

2?新型電流靈敏放大器

圖1所示電流靈敏放大器結構簡單，但也存在諸多不足之處，如電源電壓不能足夠低、預充電電流較小、擺率較低等。對此，文獻[7]提出一種自控恒流預充電電路以提高電路讀取速度，這一電路的好處在于通過一個反相器實現對預充電電路的關閉，從而確保位線電壓不至于太高而影響存儲信息。但是通過仿真發現，去掉預充電結構中的反相器后，通過適當調整充電電路晶體管參數，在位線電壓不影響存儲信息情況下同樣能達到較快的讀取速度。在此基礎上，采用GSMC 0.18 μm工藝設計出一種新型電流靈敏放大器，見圖2。在該電路中，M₃，M₄，M₇，M₈，M₉以及電流源Ibiasl共同構成預充電電路。其中M₇，M₈，M₉和I_biasl主要用來產生M₃的柵極偏壓V_REF；M₃，M₄和M₅為鏡像結構，用來產生預充電電流。I_c和C₁的并聯結構用模擬存儲單元，這種方式能有效地模擬存儲單元，同時也提高了仿真效率，其中Ic是讀取時存儲單元的電流，C₁是位線寄生電容。M₁₀，M₁₁，M₁₂，M₁₃和I_bias2，I_bias3構成兩級放大器中的第一級，是一個差分放大器。差分放大器的輸入信號分別是REF節點和BL節點處的電壓。該差分放大器采用一折疊鏡像負載，在不增加電源電壓情況下可以有效的提高增益。第二級放大器為反相器鏈。這種反相器鏈式結構的功能也可以用單個反相器實現，但是采用單個反相器會導致較大的尺寸，從而使寄生電容顯著增大從而降低速度。在綜合考慮面積、速度等因素之后，這種鏈式結構更具有優勢。

3 電路仿真結果

圖2中，當存儲單元中存儲信息為“1”時，I_c為13 μA；存儲單元中存儲信息為“0”時，Ic=6 μA。Ir為參考電流，其值介于6 μA和13 μA之間，設定為10.5 μA。設定C₁為1 pF，I_bias1=I_bias2=I_bias3=16 μA(見文獻[6])。采用上海宏力0.18μm工藝在HSpice下進行仿真。


圖3為靈敏放大器在1.8 V電源電壓和室溫條件下對存儲信息“1”放大的仿真圖形，其中橫坐標是時間，縱坐標是輸出節點Sout處的電壓。從仿真結果可以看出，在室溫(27℃)下讀取“1”的響應時間為13 ns(在本文中，所有的仿真都是從0 ns開始啟動的)，輸出電壓為電源電壓，擺率也比較大。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能快速準確地讀取存儲信息“1”。

圖4為靈敏放大器在1.8 V電源電壓在室溫條件下對存儲信息“0”放大的仿真圖形。從仿真結果可以看出，輸出電壓有微小的變化，但是在整個過程中輸出電壓都低于0.1 V，都在低電平范圍內。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能對存儲信息“0”進行可靠讀取。



表1是該電流靈敏放大器在不同電源電壓和環境溫度下的讀取時間。從表1中可以看出在較低電源電壓和惡劣環境下該電流靈敏放大器仍然有比較好的性能。表1還把本文的電流靈敏放大器的仿真結果與參考文獻[6]所仿真的結果進行了對比，可以看出在本文所設計的電流靈敏放大器在某些情況下有更快的讀取速度。



4 結語

在深亞微米工藝條件下設計了一種新型電流靈敏放大器，該電流靈敏放大器的優勢在于響應速度快，并且可以在較低電源電壓和惡劣環境下正常工作。一方面，是因為采用的預充電電路能在較長時間內保持預充電電流處于一個較大值，這可以縮短預充電時間；另一方面是由于采用了兩級放大電路對信號進行放大，這可以在不增加電源電壓情況下顯著提高速度和增益。