專利名稱：增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路及方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體存儲器的感測放大器(sense amplifier)，更確切地說，涉及一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路及方法。
為增加感測放大器的穩(wěn)定性，一傳統(tǒng)技術(shù)是對感測節(jié)點(diǎn)VZ額外充電，如圖4中所示，此感測放大器24被加入一電流裝置，其時(shí)序圖在圖5中，晶體管MP2被提供一偏壓BIAS而產(chǎn)生一漏電流(1eakage current)Ileakage供應(yīng)給感測節(jié)點(diǎn)VZ，因而獲得較佳的穩(wěn)定性。
如圖6中所示，另一傳統(tǒng)技術(shù)在感測放大器26中增加一放電電流裝置MN3經(jīng)一開關(guān)MN2連接數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD，其時(shí)序圖在圖7中，感測放大器26在預(yù)充電期間先行對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD放電，以加速傳輸晶體管MN1被開啟。
Smarandoiu等人在美國專利第5390147號中的改進(jìn)感測放大器增加一潤滑電流鏡連接數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及參考節(jié)點(diǎn)，并利用參考電流鏡的反饋，以改善感測放大器的速度。然而，如此的安排使得潤滑電流及參考電流經(jīng)過反饋路徑影響感測電流，當(dāng)非理想的狀況出現(xiàn)時(shí)，例如制造過程的差異造成參考電流的變動(dòng)，將導(dǎo)致感測電流變化，因而發(fā)生感測速度變慢，甚至發(fā)生感測結(jié)果錯(cuò)誤。因此，對感測放大器需要進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明的電路是這樣實(shí)現(xiàn)的一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節(jié)點(diǎn)，該輸入端耦合一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一數(shù)據(jù)信號，其特征在于該電路包括第一電流鏡，含有第一及第二分支，以從該第一分支鏡射一中介電流在該第二分支，該第一分支與該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間插入一補(bǔ)償電流裝置，受控于第一控制信號而導(dǎo)通一補(bǔ)償電流；第二電流鏡，含有第三及第四分支，該第四分支耦合該感測節(jié)點(diǎn)，該第三分支適應(yīng)該中介電流而鏡射一漏電流在該第四分支；以及一充電電流裝置耦合該感測節(jié)點(diǎn)，并受控于第二控制信號的反相輸入而導(dǎo)通一充電電流。
其中該第一控制信號是電源電壓。
其中該第一電流鏡具有一鏡射比為1比1至3比4。
其中該第二電流鏡具有一鏡射比為1比1。
其中該補(bǔ)償電流對該漏電流比為1比1至3比4。
更包括一放電電流裝置插入該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與該第一電流鏡的第一分支之間，并受控于第三控制信號而導(dǎo)通一放電電流。
其中該第三控制信號為該第二控制信號的互補(bǔ)。
其中該充電電流對該放電電流比為5比1至10比1。
更包括一中介晶體管與該傳輸晶體管共柵極，且其源極與漏極分別連接該第一電流鏡的第二分支與該第二電流鏡的第三分支。
本發(fā)明的電路也可以是這樣實(shí)現(xiàn)的一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一源極與一漏極，該漏極作為一感測節(jié)點(diǎn)，該源極作為一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一存儲信號，其特征在于該電路包括第一晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，該柵極連接一偏壓信號；第二及第三晶體管組成的第一電流鏡，該第二及第三晶體管各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個(gè)源極接地，該兩個(gè)柵極彼此連接，該第二晶體管的漏極連接其柵極以及該第一晶體管的源極；第四晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接該第三晶體管的漏極，該柵極連接該傳輸晶體管的柵極；第五及第六晶體管組成的第二電流鏡，該第五及第六晶體管各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個(gè)源極連接一電源電壓，該兩個(gè)柵極彼此連接，該第五晶體管的漏極連接其柵極以及該第四晶體管的漏極，該第六晶體管的漏極連接該感測節(jié)點(diǎn)；以及第七晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接電源電壓，該漏極連接該感測節(jié)點(diǎn)，該柵極連接一預(yù)充電信號的互補(bǔ)信號的反相輸入。
其中該第二及第三晶體管的大小比為1比1至3比1。
其中該第五及第六晶體管的大小比為1比1。
其中該第二及第六晶體管導(dǎo)通的電流比為1比1至3比1。
更包括第八晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，該柵極連接該預(yù)充電信號。
其中該第七及第六晶體管導(dǎo)通的電流比為5比1至10比1。
本發(fā)明的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節(jié)點(diǎn)，該輸入端耦合一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一數(shù)據(jù)信號，其特征在于該方法包括下列步驟耦合一補(bǔ)償電流至該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，以維持該傳輸晶體管不完全關(guān)閉及該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不超過一定的電壓；鏡射該補(bǔ)償電流，以產(chǎn)生一漏電流耦合該感測節(jié)點(diǎn)；以及耦合一充電電流至該感測節(jié)點(diǎn)。
更包括施于一偏壓以操控該補(bǔ)償電流。
更包括施于一預(yù)充電信號的互補(bǔ)信號以操控該充電電流。
其中該補(bǔ)償電流對漏電流比為1比1至3比4。
更包括耦合一放電電流至該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
更包括施于一預(yù)充電信號以操控該放電電流。
其中該充電電流對放電電流比為5比1至10比1。
更包括耦合一中介晶體管與該傳輸晶體管共柵極，以開啟或關(guān)閉鏡射該補(bǔ)償電流及放電電流的路徑。
如同在傳統(tǒng)技藝中，感測放大器28也含有一充電電流裝置以改善速度，如圖8中所示，一晶體管MP1具有一源極連接一電源電壓VDD，一漏極連接感測節(jié)點(diǎn)VZ，以及一柵極連接一預(yù)充電信號的互補(bǔ)信號PREB的反相輸入。當(dāng)晶體管MP1被信號PREB開啟時(shí)，一充電電流Icharge供應(yīng)給感測節(jié)點(diǎn)VZ與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD，以完成開始感測的準(zhǔn)備，并縮短感測時(shí)間。
為進(jìn)一步改善感測速度，一補(bǔ)償電流裝置連接數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD，如圖中所示，一晶體管MN4具有一漏極連接數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD，以及一柵極連接一電源電壓VDD，因而產(chǎn)生一補(bǔ)償電流Ioffset，此補(bǔ)償電流Ioffset的大小約為4微安至6微安，以維持傳輸晶體管MN1不被完全關(guān)閉，并且使數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD的電壓維持不超過一特定的電壓，如此而增加感測速度。與先前所述的傳統(tǒng)技術(shù)不同，此一補(bǔ)償電流Ioffset是獨(dú)立地控制傳輸晶體管MN1，而與存儲參考單元或參考電流無關(guān)，因此不受其他因素的影響，并且，補(bǔ)償電流Ioffset是由晶體管MN4尺寸及其柵極偏壓決定，對于電路設(shè)計(jì)者而言，此一特性可單獨(dú)地被選定。
使用一對電流鏡參考補(bǔ)償電流Ioffset以產(chǎn)生漏電流供應(yīng)給感測節(jié)點(diǎn)VZ，此對電流鏡包括一主電流鏡(master current mirror)及一從電流鏡(slavecurrent mirror)。主電流鏡由晶體管MN3及MN5構(gòu)成，二者的柵極彼此連接，并連接晶體管MN3的漏極，二者的源極接地。主電流鏡的輸入端，也即晶體管MN3的漏極，連接晶體管MN4的源極，以接收補(bǔ)償電流Ioffset。由于主電流鏡的鏡射的緣故，晶體管MN5導(dǎo)通一電流Iml，補(bǔ)償電流Ioffset對鏡射電流Iml比是由晶體管MN3及MN5的大小比決定，在此實(shí)施例中，其值約為1比1至3比4。另一方面，從電流鏡由晶體管MP3及MP2構(gòu)成，二者的源極連接電源電壓VDD，二者的柵極彼此連接，并連接晶體管MP3的漏極，晶體管MP2的漏極則連接感測節(jié)點(diǎn)VZ。主電流鏡及從電流鏡之間插入一晶體管MN6，其與傳輸晶體管MN1共柵極，其源極連接主電流鏡的輸出端，即晶體管MN5的漏極，而其漏極則連接從電流鏡的輸入端，即晶體管MP3的漏極。當(dāng)晶體管MN6開啟時(shí)，由于晶體管MN5導(dǎo)通的電流為Iml，因此晶體管MP3也導(dǎo)通電流Iml，由于從電流鏡的鏡射的緣故，在晶體管MP2鏡射一漏電流Ileakage供應(yīng)給感測節(jié)點(diǎn)VZ，而電流Iml對鏡射的漏電流Ileakaget比是由晶體管MP3及MP2的大小比決定，在此實(shí)施例中，其值約為1比1。反之，一旦晶體管MN6關(guān)閉，主電流鏡及從電流鏡將失去上述的作用。漏電流Ileakage對感測節(jié)點(diǎn)VZ的持續(xù)充電能夠?qū)闺娐分械碾s訊，也即提升感測放大器28的穩(wěn)定性，漏電流Ileakage的大小將決定感測節(jié)點(diǎn)VZ對抗雜訊的能力。由于主電流鏡及從電流鏡藉由電流Iml產(chǎn)生對應(yīng)的關(guān)系，因此漏電流Ileakage與補(bǔ)償電流Ioffset之間具有一比例的關(guān)系，其比值是由晶體管MN3及MN5的大小比值與晶體管MP3及MP2的大小比值來決定，在此實(shí)施例中，補(bǔ)償電流Ioffset對漏電流Ileakage的比約為1比1至3比4。與先前所述的傳統(tǒng)技術(shù)不同，此感測放大器28利用漏電流Ileakage來增加穩(wěn)定性，并且該漏電流Ileakage是從補(bǔ)償電流Ioffset鏡射所生，因此漏電流Ileakage的大小與補(bǔ)償電流Ioffset的大小具有一定的比例關(guān)系，能夠提供最適合實(shí)際電路的條件，不受其他因素，例如制造過程的影響。
數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD另外連接一放電電流裝置，也即晶體管MN2，其源極連接主電流鏡的輸入端，也即晶體管MN3的漏極，其柵極則連接預(yù)充電信號PRE。當(dāng)晶體管MN2被信號PRE開啟時(shí)，其導(dǎo)通一放電電流Idischarge，其大小與漏電流Ileakage相當(dāng)，以抵消彼此。
當(dāng)感測低態(tài)，也即導(dǎo)通的存儲單元，在數(shù)據(jù)線DL上有一單元電流Icell從數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD朝向被選擇的存儲單元流動(dòng)，此時(shí)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD被電流Icell放電，因而在傳輸晶體管MN1上引起一感測電流Isense，進(jìn)而在感測節(jié)點(diǎn)VZ上產(chǎn)生相對的低電壓。相反地，當(dāng)感測高態(tài)，也即非導(dǎo)通的存儲單元，則從數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD流向存儲單元的電流Icell為零，此時(shí)感測節(jié)點(diǎn)VZ將維持在一相對的高電壓，此時(shí)即使存儲單元或數(shù)據(jù)線DL殘存少量雜訊電流，晶體管MP2將會(huì)提供一漏電流Ileakage以抵消其影響，如此可提高感測放大器的穩(wěn)定度及抗雜訊能力。
當(dāng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD被充電時(shí)，由于補(bǔ)償電流Ioffset的存在，使得數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD不致被過度充電，因此，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD上的電壓將被維持在一特定的電壓以下，即晶體管MN4的漏極-源極壓差VDS與晶體管MN3的柵極-源極壓差VGS的總和，約為1.0伏特，如此，在下一個(gè)讀取周期中的感測速度將不會(huì)被減慢。即使在數(shù)據(jù)線DL上沒有電流流通，補(bǔ)償電流Ioffset依然維持傳輸晶體管MN1不被完全關(guān)閉，在下一個(gè)讀取周期中，將因?yàn)閭鬏斁w管MN1的較快開啟速度而提升感測速度。
在一感測周期內(nèi)，如圖9所示，在其預(yù)充電期間，充電電流裝置的晶體管MP1被信號PREB開啟，導(dǎo)通一充電電流Icharge，對感測節(jié)點(diǎn)VZ及數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD充電，而放電電流裝置的晶體管MN2被信號PRE開啟，導(dǎo)通一放電電流Idischarge，對數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD放電，以防止充電電流Icharge瞬間將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD過度充電。在預(yù)充電期間過后，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VD，也即數(shù)據(jù)線DL上的電壓逐漸下降，當(dāng)其降低至一定電壓后，或非門X1產(chǎn)生的控制信號VX將上升，使感測節(jié)點(diǎn)VZ的電壓迅速下降，因而產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號OUT。
權(quán)利要求
1.一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節(jié)點(diǎn)，該輸入端耦合一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一數(shù)據(jù)信號，其特征在于該電路包括第一電流鏡，含有第一及第二分支，以從該第一分支鏡射一中介電流在該第二分支，該第一分支與該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間插入一補(bǔ)償電流裝置，受控于第一控制信號而導(dǎo)通一補(bǔ)償電流；第二電流鏡，含有第三及第四分支，該第四分支耦合該感測節(jié)點(diǎn)，該第三分支適應(yīng)該中介電流而鏡射一漏電流在該第四分支；以及一充電電流裝置耦合該感測節(jié)點(diǎn)，并受控于第二控制信號的反相輸入而導(dǎo)通一充電電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第一控制信號是電源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第一電流鏡具有一鏡射比為1比1至3比4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第二電流鏡具有一鏡射比為1比1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該補(bǔ)償電流對該漏電流比為1比1至3比4。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于更包括一放電電流裝置插入該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與該第一電流鏡的第一分支之間，并受控于第三控制信號而導(dǎo)通一放電電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第三控制信號為該第二控制信號的互補(bǔ)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該充電電流對該放電電流比為5比1至10比1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于更包括一中介晶體管與該傳輸晶體管共柵極，且其源極與漏極分別連接該第一電流鏡的第二分支與該第二電流鏡的第三分支。
10.一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一源極與一漏極，該漏極作為一感測節(jié)點(diǎn)，該源極作為一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一存儲信號，其特征在于該電路包括第一晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，該柵極連接一偏壓信號；第二及第三晶體管組成的第一電流鏡，該第二及第三晶體管各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個(gè)源極接地，該兩個(gè)柵極彼此連接，該第二晶體管的漏極連接其柵極以及該第一晶體管的源極；第四晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接該第三晶體管的漏極，該柵極連接該傳輸晶體管的柵極；第五及第六晶體管組成的第二電流鏡，該第五及第六晶體管各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個(gè)源極連接一電源電壓，該兩個(gè)柵極彼此連接，該第五晶體管的漏極連接其柵極以及該第四晶體管的漏極，該第六晶體管的漏極連接該感測節(jié)點(diǎn)；以及第七晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接電源電壓，該漏極連接該感測節(jié)點(diǎn)，該柵極連接一預(yù)充電信號的互補(bǔ)信號的反相輸入。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第二及第三晶體管的大小比為1比1至3比1。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第五及第六晶體管的大小比為1比1。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第二及第六晶體管導(dǎo)通的電流比為1比1至3比1。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于更包括第八晶體管，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，該柵極連接該預(yù)充電信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的電路，其特征在于其中該第七及第六晶體管導(dǎo)通的電流比為5比1至10比1。
16.一種增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，該感測放大器含有一傳輸晶體管具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節(jié)點(diǎn)，該輸入端耦合一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)以連接一數(shù)據(jù)線，感測一存儲單元的存儲狀態(tài)，而從該感測節(jié)點(diǎn)經(jīng)一輸出級送出一數(shù)據(jù)信號，其特征在于該方法包括下列步驟耦合一補(bǔ)償電流至該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，以維持該傳輸晶體管不完全關(guān)閉及該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不超過一定的電壓；鏡射該補(bǔ)償電流，以產(chǎn)生一漏電流耦合該感測節(jié)點(diǎn)；以及耦合一充電電流至該感測節(jié)點(diǎn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于更包括施于一偏壓以操控該補(bǔ)償電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于更包括施于一預(yù)充電信號的互補(bǔ)信號以操控該充電電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于其中該補(bǔ)償電流對漏電流比為1比1至3比4。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于更包括耦合一放電電流至該數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于更包括施于一預(yù)充電信號以操控該放電電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于其中該充電電流對放電電流比為5比1至10比1。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的增進(jìn)感測放大器速度及穩(wěn)定性的方法，其特征在于更包括耦合一中介晶體管與該傳輸晶體管共柵極，以開啟或關(guān)閉鏡射該補(bǔ)償電流及放電電流的路徑。
全文摘要
一種增進(jìn)感測放大器進(jìn)度及穩(wěn)定性的電路及方法，包括一補(bǔ)償電流裝置及一放電電流裝置連接一傳輸晶體管一側(cè)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，傳輸晶體管另一側(cè)的感測節(jié)點(diǎn)連接一充電電流裝置及一漏電流裝置，漏電流是從補(bǔ)償電流鏡射。補(bǔ)償電流維持傳輸晶體管不完全關(guān)閉及數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)不超過一定的電壓，因而提升感測放大器的速度。漏電流增進(jìn)感測放大器的穩(wěn)定性。從補(bǔ)償電流鏡射漏電流使感測放大器的操作及性能獲得良好的控制。
文檔編號G11C7/06GK1412776SQ0114155
公開日2003年4月23日 申請日期2001年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月15日
發(fā)明者李祥邦, 施義德 申請人:旺宏電子股份有限公司