專利名稱：一種高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于半導(dǎo)體靜態(tài)隨機存儲器的高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器。
背景技術(shù)：
存儲器作為數(shù)據(jù)和指令的存儲設(shè)備，在系統(tǒng)芯片中占有很重要的位置。存儲器的速度主要取決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(shù)據(jù)信號的輸出所經(jīng)歷的時間，一般由地址輸入緩沖器、譯碼器、存儲單元、靈敏放大器和輸出緩沖器的延遲共同決定。因此，要減小存儲器的讀取時間，一般有兩種方法一是減小從地址信號輸入到字線選通的延時，由于內(nèi)部譯碼器等電路的形式相對固定，因此用這種方法減小的延時是比較有限的；另一種是減小從字線選通到數(shù)據(jù)輸出所經(jīng)歷的延時，這可以通過改進(jìn)靈敏放大器的設(shè)計來實現(xiàn)?？梢?，高性能靈敏放大器的設(shè)計對于存儲器性能的改進(jìn)是至關(guān)重要的。靈敏放大器工作的目的是通過放大位線間微小的信號變化而讀取存儲單元中的數(shù)據(jù)。更具體的說，靈敏放大器在存儲器中的作用主要體現(xiàn)在以下三個方面首先是放大作用，它將位線間微小的信號差放大為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平“O”和“ I ” ;其次是減小位線的放電幅度，從而減小位線充放電的功耗。最后是通過放大位線間微小的信號差并輸出完全邏輯電平，避免等待位線完全放電完畢再輸出，從而減小存儲器的讀取時間。靈敏放大器的工作一般分為兩個階段一是預(yù)充、二是放大。靈敏放大器主要分為兩種電流型靈敏放大器和電壓型靈敏放大器。檢測并放大器位線間微小電流差的稱之為電流型靈敏放大器，雖然電流型靈敏放大器不受位線負(fù)載電容的影響，但是它結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、可靠性差、功耗大；電壓型靈敏放大器檢測并放大位線間微小的電壓差，它雖然受位線負(fù)載電容的影響，但是其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高、功耗低，面積一般也比電流型靈敏放大器小，所以目前大部分商用靜態(tài)隨機存儲器中采用的靈敏放大器均為電壓型靈敏放大器。如圖I所示，在現(xiàn)有技術(shù)中使用的電壓型靈敏放大器中，當(dāng)外部給定的預(yù)充控制信號PRE、外部給定的使能信號SAEN均為低電平時，靈敏放大器處于預(yù)充電狀態(tài)，其輸出端被預(yù)充電到VDD ;當(dāng)預(yù)充控制信號PRE為高電平，使能信號SAEN為低電平時，靈敏放大器處于檢測信號狀態(tài)，因為這種靈敏放大器為輸入輸出共用結(jié)構(gòu)，所以在檢測輸入信號的同時， 預(yù)充到高電平的輸出端會通過PMOS管P3、P4對外部給定位線進(jìn)行放電，靈敏放大器輸出端負(fù)載電容越大，放大量越大，這會延長位線間差分電壓達(dá)到額定值的時間，從而增大靈敏放大器的延時；另外圖I所示靈敏放大器預(yù)充電操作是將輸出端預(yù)充到高電平，這會增大靈敏放大器的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)靈敏放大器在檢測輸入信號期間輸出端會對位線進(jìn)行放電以及預(yù)充電操作是將輸出端充電到高電平而存在預(yù)充功耗的問題，本發(fā)明提出一種高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靈敏放大器，以減小延時和功耗，提高靈敏放大器的性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器，其特征在于，包括預(yù)充電模塊、平衡電路模塊、使能電路模塊、交叉耦合反相器模塊、 輸入電路模塊以及自關(guān)斷位線模塊，其中預(yù)充電模塊包括NMOS管NI及NMOS管N2，NMOS管NI與NMOS管N2的柵極互聯(lián)并連接外部給定的預(yù)充信號PRE，NMOS管NI及NMOS管N2的源極和襯底都接地GND ；平衡電路模塊包括NMOS管N3，NMOS管N3的柵極與NMOS管NI的柵極以及NMOS N2的柵極連接在一起，NMOS管N3的漏極與NMOS管NI的漏極連接、NMOS管N3的源極與 NMOS管N2的漏極連接，NMOS管N3的襯底接地GND ；使能電路模塊，包括PMOS管P1，PM0S管Pl的柵極連接外部給定的使能信號SANE， PMOS管Pl的源極和襯底均與VDD相連；交叉耦合反相器模塊包括PMOS管P2、PM0S管P3、NM0S管N4、NM0S管N5，PMOS管 P2及PMOS管P3的襯底均連接VDD，PMOS管P2及PMOS管P3的源極連接在一起并與PMOS 管Pl的漏極連接，PMOS管P2及PMOS管P3的柵極分別與NMOS管N4及NMOS管N5的柵極連接，PMOS管P2及PMOS管P3的漏極分別與NMOS管N4及NMOS管N5的漏極連接，PMOS管 P2的漏極、NMOS管N4的漏極與PMOS管P3的柵極及NMOS管N5的柵極連接在一起，PMOS管 P2的柵極、NMOS管N4的柵極與PMOS管P3的漏極及NMOS管N5的漏極連接在一起，NMOS 管N4及NMOS管N5的襯底和源極均接地GND ；輸入電路模塊包括NMOS管N6、NM0S管N7，NMOS管N6及NMOS管N7的襯底和源極均接地，NMOS管N6的漏極與NMOS管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、PMOS管P2的漏極以及 NMOS管N4的漏極連接在一起，NMOS管N7的漏極與NMOS管N2的漏極、PMOS管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起；自關(guān)斷位線模塊包括PMOS管P4、PMOS管P5、NMOS管N8及NMOS管N9，PMOS管 P4的柵極與NMOS管N8的柵極互連并與NMOS管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、NMOS管N6 的漏極、PMOS管P2的漏極以及NMOS管N4的漏極連接在一起連接，PMOS管P4的襯底連接 VDD, PMOS管P4的源極與外部給定位線BL連接，PMOS管P4的漏極與NMOS管N8的漏極以及NMOS管N6的柵極連接在一起，NMOS管N8的襯底和源極均接地GND，PMOS管P5的柵極與 NMOS管N9的柵極互連并與NMOS管N2的漏極、NMOS管N3的源極、NMOS管N7的漏極、PMOS 管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起，PMOS管P5的襯底連接VDD，PM0S管P5的源極與外部給定的另一位線BLB連接，PMOS管P5的漏極與NMOS管N9的漏極以及NMOS管 N7的柵極連接在一起，NMOS管N9的襯底和源極均接地GND。與現(xiàn)有靈敏放大器相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及顯著效果I)本發(fā)明靈敏放大器采用輸入輸出分離結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的共用輸入輸出結(jié)構(gòu)靈敏放大器相比，避免了在檢測信號期間，輸出端電容對位線進(jìn)行放電，大大降低了位線間形成額定電壓差的時間，從而減小了靈敏放大器的延時，提高了靈敏放大器的速度；2)本發(fā)明靈敏放大器的預(yù)充電操作是將靈敏放大器的兩輸出端通過預(yù)充管放電到“0”，與傳統(tǒng)靈敏放大器預(yù)充電操作是將輸出端預(yù)充到VDD相比，其預(yù)充電操作不消耗功
4耗，而其放大操作功耗與傳統(tǒng)靈敏放大器的放大操作功耗相當(dāng)，從而使得本發(fā)明靈敏放大 器的功耗大大降低；


圖1是現(xiàn)有技術(shù)靈敏放大器電路原理圖；圖2是本發(fā)明靈敏放大器的電路原理圖；圖3虛線框部分是圖2中的預(yù)充電模塊；圖4虛線框部分是圖2中的平衡電路模塊；圖5虛線框部分是圖2中的使能電路模塊；圖6虛線框部分是圖2中的交叉耦合反相器模塊；圖7虛線框部分是圖2中的輸入電路模塊；圖8虛線框部分是圖2中的自關(guān)斷位線模塊；圖9是本發(fā)明靈敏放大器的輸入信號、控制信號以及輸出信號波形圖。
具體實施例方式參看圖2-8，本發(fā)明靈敏放大器包括預(yù)充電模塊、平衡電路模塊、使能電路模塊、交 叉耦合反相器模塊、輸入電路模塊以及自關(guān)斷位線模塊，其中預(yù)充電模塊(圖3虛線框部分)，用于將靈敏放大器的輸出端在外部給定的使能信 號SAEN有效前放電到“0”電位，包括由外部給定的預(yù)充控制信號PRE控制的兩個NM0S管 N1、N2，NM0S管N1與N2的柵極互聯(lián)并連接外部給定的預(yù)充信號PRE，NM0S管N1及N2的源 極和襯底都接地GND ；平衡電路模塊(圖4虛線框部分)，用于在靈敏放大器的使能信號SAEN有效前 平衡兩輸出端的電位，使兩輸出端電位相等，它包括外部給定的預(yù)充控制信號PRE控制的 NM0S管N3，NM0S管N3的柵極與NM0S管N1的柵極以及NMOS N2的柵極連接在一起，NM0S 管N3的漏極與NM0S管N1的漏極連接、NM0S管N3的源極與NM0S管N2的漏極連接，NM0S 管N3的襯底接地GND ；使能電路模塊(圖5虛線框部分)，用于控制整個靈敏放大器的開啟與關(guān)斷，它包 括使能信號SAEN控制的PM0S管Pl，PM0S管P1的柵極連接外部給定的使能信號SANE，PM0S 管P1的源極和襯底均與VDD相連；交叉耦合反相器模塊(圖6虛線框部分)，用于在靈敏放大器開啟后，快速放大微 小的位線差分電壓，包括PM0S管P2、P3、NM0S管N4、N5，PM0S管P2及P3的襯底均連接VDD， PM0S管P2及P3的源極連接在一起并與PM0S管P1的漏極連接，PM0S管P2及PM0S管P3 的柵極分別與NM0S管N4及NM0S管N5的柵極連接，PM0S管P2及PM0S管P3的漏極分別 與NM0S管N4及NM0S管N5的漏極連接，PM0S管P2的漏極、NM0S管N4的漏極與PM0S管 P3的柵極及NM0S管N5的柵極連接在一起，PM0S管P2的柵極、NM0S管N4的柵極與PM0S 管P3的漏極及NM0S管N5的漏極連接在一起，NM0S管N4及NM0S管N5的襯底和源極均接 地GND，PM0S管P2、NM0S管N4組成反相器INV1，PM0S管P3、NM0S管N5組成反相器INV2。輸入電路模塊(圖7虛線框部分)，用于檢測位線差分電壓和在靈敏放大器開啟 后對靈敏放大器的輸出端進(jìn)行放電，包括自關(guān)斷位線模塊輸出電壓控制的NM0S管N6、NM0S管N7，NMOS管N6及NMOS管N7的襯底和源極均接地，NMOS管N6的漏極與NMOS管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、PMOS管P2的漏極以及NMOS管N4的漏極連接在一起，NMOS管N7的漏極與NMOS管N2的漏極、PMOS管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起。自關(guān)斷位線模塊(圖8虛線框部分)，用于傳輸和關(guān)斷位線電壓，包括PMOS管P4、 PMOS管P5、NM0S管N8及NMOS管N9，PMOS管P4的柵極與NMOS管N8的柵極互連并與NMOS 管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、NMOS管N6的漏極、PMOS管P2的漏極以及NMOS管N4的漏極連接在一起連接，PMOS管P4的襯底連接VDD，PM0S管P4的源極與外部給定位線BL連接，PMOS管P4的漏極與NMOS管N8的漏極以及NMOS管N6的柵極連接在一起，NMOS管N8 的襯底和源極均接地GND，PM0S管P5的柵極與NMOS管N9的柵極互連并與NMOS管N2的漏極、NMOS管N3的源極、NMOS管N7的漏極、PMOS管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起，PMOS管P5的襯底連接VDD，PM0S管P5的源極與外部給定的另一位線BLB連接，PMOS 管P5的漏極與NMOS管N9的漏極以及NMOS管N7的柵極連接在一起，NMOS管N9的襯底和源極均接地GND。因為PMOS管P4、NM0S管N8和PMOS管P5、NM0S管N9的柵極分別由靈敏放大器的輸出信號控制，PMOS管P4、PMOS管P5的源極又分別與外部給定位線BL、BLB相連，所以當(dāng)靈敏放大器處于預(yù)充電狀態(tài)時，靈敏放大器輸出為“0”，兩PMOS管P4、P5導(dǎo)通， 位線電壓能夠傳遞到輸入電路NMOS管N6、NMOS管N7的柵極；當(dāng)靈敏放大器開啟并正確輸出后，輸出端為高電平的會使與位線連接的PMOS管關(guān)斷，從而切斷位線與輸入電路模塊的連接，完成自關(guān)斷位線電壓的過程，這個過程完全由內(nèi)部信號控制，不需要額外弓I入外部控制信號。本發(fā)明的工作原理如下參照圖9，本發(fā)明靈敏放大器外部給定的預(yù)充控制信號PRE和外部給定的使能信號SAEN為同一信號。當(dāng)外部給定的預(yù)充控制信號PRE、外部給定的使能信號SAEN為高電平時，靈敏放大器關(guān)斷。預(yù)充管NMOS管NI、NMOS管N2開啟，靈敏放大器處于預(yù)充電狀態(tài)，此時其兩輸出端不是被充電到VDD，而是通過兩NMOS管NI、N2放電到“O”電位，這樣預(yù)充電過程就不消耗能量，預(yù)充電過程的平均功耗為O ;預(yù)充電過程中，平衡管NMOS管N3開啟，用于使兩輸出端在靈敏放大器進(jìn)行放大操作前處于相同的電位；待outputl、output2兩節(jié)點電位為“O”時，自關(guān)斷電路模塊的兩PMOS管P4、P5完全開啟，外部給定位線BL、BLB的電壓通過PMOS管P4、P5傳遞到輸入管NMOS管N6、N7的柵極；當(dāng)外部給定的預(yù)充控制信號PRE、外部給定的使能信號SAEN為低電平時，靈敏放大器開始工作。使能管PMOS管Pl開啟，電源電壓VDD通過開啟的PMOS管P1、P2、PMOS管 P3管對兩輸出端進(jìn)行充電，輸入管NMOS管N6、N7開啟，靈敏放大器兩輸出端分別通過NMOS 管N6、N7進(jìn)行放電，outputl、output2兩節(jié)點電位的上升或下降取決于電源電壓VDD對輸出端的充電速度以及輸出端對地的放電速度。開始階段，PMOS管處于飽和區(qū)，NMOS管處于線性區(qū)，所以充電電流和放電電流分別為
權(quán)利要求
1. 一種高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器，其特征在于，包括預(yù)充電模塊、平衡電路模塊、使能電路模塊、交叉耦合反相器模塊、輸入電路模塊以及自關(guān)斷位線模塊，其中預(yù)充電模塊包括NMOS管NI及NMOS管N2，NM0S管NI與NMOS管N2的柵極互聯(lián)并連接外部給定的預(yù)充信號PRE，NMOS管NI及NMOS管N2的源極和襯底都接地GND ；平衡電路模塊包括NMOS管N3，NMOS管N3的柵極與NMOS管NI的柵極以及NMOS N2 的柵極連接在一起，NMOS管N3的漏極與NMOS管NI的漏極連接、NMOS管N3的源極與NMOS 管N2的漏極連接，匪OS管N3的襯底接地GND ；使能電路模塊，包括PMOS管Pl，PMOS管Pl的柵極連接外部給定的使能信號SANE，PM0S 管Pl的源極和襯底均與VDD相連；交叉耦合反相器模塊包括PMOS管P2、PM0S管P3、NM0S管N4、NM0S管N5，PM0S管P2及 PMOS管P3的襯底均連接VDD，PMOS管P2及PMOS管P3的源極連接在一起并與PMOS管Pl 的漏極連接，PMOS管P2及PMOS管P3的柵極分別與匪OS管N4及NMOS管N5的柵極連接， PMOS管P2及PMOS管P3的漏極分別與NMOS管N4及NMOS管N5的漏極連接，PMOS管P2的漏極、NMOS管N4的漏極與PMOS管P3的柵極及NMOS管N5的柵極連接在一起，PMOS管P2 的柵極、NMOS管N4的柵極與PMOS管P3的漏極及NMOS管N5的漏極連接在一起，NMOS管 N4及NMOS管N5的襯底和源極均接地GND ；輸入電路模塊包括NMOS管N6、NMOS管N7，NMOS管N6及NMOS管N7的襯底和源極均接地，NMOS管N6的漏極與NMOS管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、PMOS管P2的漏極以及 NMOS管N4的漏極連接在一起，NMOS管N7的漏極與NMOS管N2的漏極、PMOS管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起；自關(guān)斷位線模塊包括PMOS管P4、PMOS管P5、NMOS管N8及NMOS管N9，PMOS管P4的柵極與NMOS管N8的柵極互連并與NMOS管NI的漏極、NMOS管N3的漏極、NMOS管N6的漏極、PMOS管P2的漏極以及NMOS管N4的漏極連接在一起連接，PMOS管P4的襯底連接VDD， PMOS管P4的源極與外部給定位線BL連接，PMOS管P4的漏極與NMOS管N8的漏極以及 NMOS管N6的柵極連接在一起，NMOS管N8的襯底和源極均接地GND，PMOS管P5的柵極與 NMOS管N9的柵極互連并與NMOS管N2的漏極、NMOS管N3的源極、NMOS管N7的漏極、PMOS 管P3的漏極以及NMOS管N5的漏極連接在一起，PMOS管P5的襯底連接VDD，PM0S管P5的源極與外部給定的另一位線BLB連接，PMOS管P5的漏極與NMOS管N9的漏極以及NMOS管 N7的柵極連接在一起，NMOS管N9的襯底和源極均接地GND。
全文摘要
一種高速低功耗自關(guān)斷位線靈敏放大器，包括預(yù)充電模塊、平衡電路模塊、使能電路模塊、交叉耦合反相器模塊、輸入電路模塊、自關(guān)斷位線模塊,本發(fā)明采用輸入輸出分離結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的共用輸入輸出結(jié)構(gòu)靈敏放大器相比，避免了在檢測信號期間，輸出端電容對位線進(jìn)行放電，大大降低了位線間形成額定電壓差的時間，減小了靈敏放大器的延時，提高了靈敏放大器的反應(yīng)速度；另外，預(yù)充電操作采用將靈敏放大器的兩輸出端通過預(yù)充管放電到“0”，與傳統(tǒng)靈敏放大器預(yù)充電操作是將輸出端預(yù)充到VDD相比，節(jié)約了預(yù)充電功耗，從而降低了靈敏放大器的總功耗。
文檔編號G11C7/06GK102592650SQ20121003592
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者余群齡, 吳秀龍, 孟堅, 徐太龍, 李正平, 柏娜, 藺智挺, 譚守標(biāo), 陳軍寧 申請人:安徽大學(xué)