專利名稱：單閾值和單傳導(dǎo)類型放大器/緩存器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器/緩存器，具體地，本發(fā)明涉及具有單閾 值和單傳導(dǎo)類型的電路元件的放大器/緩存器。
背景技術(shù)：
在大電路中，在長距離上傳輸并驅(qū)動很多電路的時鐘信號和其 它關(guān)鍵信號需要緩存/放大，以克服由容性負(fù)載和串聯(lián)電阻引起的信 號惡化。為了實現(xiàn)放大器/緩存器， 一般使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)，這是由于他們的很多優(yōu)點(diǎn)，例如，高輸入阻抗、低輸出阻 抗、可忽略的靜態(tài)功耗和軌到軌輸出擺幅等。圖1示出了一個這樣的 放大器/緩存器，所述放大器/緩存器利用傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)，其具有 兩個串聯(lián)的反相器。該電路的操作簡單，選擇反相器的晶體管特性以 便放大器/緩存器可以提供高輸入阻抗和非常低的輸出阻抗從而提供 緩存后的/放大后的輸出。如圖l所示以及如名字所暗示的，CM0S邏 輯電路采用N傳導(dǎo)型(NM0S)晶體管以及P傳導(dǎo)型(PM0S)晶體管兩 種。在很多應(yīng)用中，邏輯電路例如聚合體或塑料電子學(xué)和類硬盤固態(tài) 存儲器應(yīng)用中，希望只采用單傳導(dǎo)型晶體管。單傳導(dǎo)型邏輯電路具有這樣的優(yōu)勢，其通過減少在制造過程中 的掩膜或光刻工藝的數(shù)目來降低芯片的生產(chǎn)/制造成本。典型地，單 傳導(dǎo)型邏輯采用耗盡型晶體管作為負(fù)載器件。在圖2中示出了采用耗 盡型晶體管的單傳導(dǎo)型緩存器/放大器。在這個示例中，通過用具有 負(fù)閾值電壓的耗盡型固0S晶體管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)CMOS的PM0S晶體管， 可以實現(xiàn)單傳導(dǎo)型緩存器/放大器。將耗盡型晶體管的柵極連接至它 的源極。在底部的兩個NM0S晶體管具有正的閾值電壓，并起開關(guān)的 作用。在頂部的兩個麗0S晶體管具有負(fù)的閾值電壓，并起電流源的作用。通過適當(dāng)?shù)匾?guī)定這些部件的尺寸，輸出信號Out提供了緩沖后 的輸入信號。所述電路具有高的靜態(tài)功耗。另外，由于在芯片上制造 耗盡型或增強(qiáng)型晶體管需要更多次數(shù)的掩膜和光刻工藝，所述電路仍 然不能提供制造成本優(yōu)勢。而且，由于兩個頂端的器件不傳導(dǎo)任何實 質(zhì)的電流，所以當(dāng)在工藝中不能得到負(fù)閾值的器件時，電路將不工作。如圖3所示，用以二極管模式連接的傳統(tǒng)晶體管代替耗盡型/增強(qiáng)型晶體管，可以解決關(guān)于耗盡型/增強(qiáng)型制造成本的問題。二極管 形式連接的晶體管可以具有與其配對物一樣的正閾值，于是反相器被 配置成單閾值單傳導(dǎo)類型邏輯。限定反相器上半部的兩個晶體管的尺 寸使之具有顯著地弱于對應(yīng)的下部晶體管的傳導(dǎo)性，這允許輸出達(dá)到 接近電路接地電壓的充分低電壓。將反相器的頂部晶體管連接成二極 管模式，這就允許在芯片上制造具有類似特性的晶體管。于是提供了 一種單閾值和單傳導(dǎo)類型的電路，其需要減少制造工藝中的掩膜步驟的數(shù)目。這種電路的軌到軌輸出是一個問題。從圖3可以清楚地看到， 反相器的輸出將達(dá)到Vd廠VT的最大值，其中Vt是反相器中的二扱管形 式連接的晶體管的閾值電壓。按照通常的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，閾值 電壓大概被選擇為Vdd的1/4。為了將在晶體管被關(guān)閉時的亞閾值泄 漏電流減小到足夠低的水平，這個閾值電壓是最低程度的要求。這意 味著輸出可以達(dá)到的最大值只是在3/4Vdd左右，這個電壓不足以完全 打開與至圖3的輸出耦合的下一個邏輯門中的晶體管。從而，相對更 小的輸出范圍限制了這種類型電路的級聯(lián)，這是一個主要的缺點(diǎn)。另 外，該電路具有非常大的功耗，這是因為在輸入信號In和輸出信號 Out都低時，第二級形成大的靜態(tài)電流，并且在輸入信號In和輸出 信號0ut都高時，第一級形成大的靜態(tài)電流?？梢酝ㄟ^向如圖4所示的電路中的兩個晶體管提供互補(bǔ)輸入信 號來解決相對大的靜態(tài)電流的問題。這種安排確實將靜態(tài)電流減小至 只剩下泄漏電流。需要互補(bǔ)輸入信號是該電路的一個缺點(diǎn)。在這種情 況下，不能獲得輸出信號的全擺幅。這種安排提供了電壓高達(dá)輸入信 號In減去閾值電壓(被背柵效應(yīng)放大)的輸出擺幅。這甚至進(jìn)一步地減小了該電路的實用性并使它幾乎不可能級聯(lián)。另外，顯著的是，所有上述放大器/緩存器具有很長的上升時間 和下降時間，從而不提供陡峭的上升沿和下降沿。從而，需要提供功耗減小的和軌到軌輸出的單閾值和單傳導(dǎo)類 型的緩存器/放大器。發(fā)明內(nèi)容為了實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明提供了一種由單閾值和單傳導(dǎo)類型 的電路元件組成的放大器/緩存器，包括接收用于緩存/放大的一個 或多個輸入信號并提供中間信號以控制所述放大器/緩存器的輸出的輸入級；被配置成在所述信號超過了預(yù)定值時對所述中間信號進(jìn)行升 壓的升壓電路；以及用以根據(jù)至少中間信號提供已放大/已緩存輸出 的輸出級。放大器/緩存器配置有用以使輸出具有全擺幅的升壓電路。本發(fā) 明的這個方面使得在只采用單閾值和單傳導(dǎo)類型的電路元件的放大 器/緩存器中的軌到軌輸出成為可能。采用單傳導(dǎo)和單閾值類型的電 路元件，減少了掩膜步驟的數(shù)目，并因此降低了放大器/緩存器的制 造成本。利用P傳導(dǎo)類型或N傳導(dǎo)類型的電路元件可以實現(xiàn)放大器/緩存器。根據(jù)另一方面，升壓電路包括能量存儲設(shè)備，其被安排來在 所述放大器/緩存器的運(yùn)行階段期間存儲能量，并在信號已經(jīng)超過預(yù) 定值時將存儲的能量釋放從而對所述信號進(jìn)行升壓；以及識別電路， 其用以識別運(yùn)行階段和信號的值，其選擇性地使信號升壓或存儲能 量。按照本發(fā)明的又一方面，預(yù)定值被識別為被識別電路識別從而識 別放大器/緩存器的輸出狀態(tài)的電壓。即，中間信號的值的第一和第 二極性分別對應(yīng)于輸出的第一和第二狀態(tài)。本發(fā)明的這個方面使得升壓電路在需要的時候可以存儲和釋放 能量。根據(jù)本發(fā)明的存儲設(shè)備可以是包括電容器和電感器的可以存儲 電能的任何存儲設(shè)備。存儲設(shè)備由單傳導(dǎo)和單閾值類型的(多個)元 件組成?？梢詫⒁粋€或多個元件組合在一起形成存儲設(shè)備。根據(jù)一個示例，存儲設(shè)備可以包含多個電容器?？梢砸源?lián)或并聯(lián)或反并聯(lián)的 模式將多個電容器彼此耦合。識別電路是一個可以識別放大器/緩存 器的運(yùn)行階段的電路。識別電路可以是識別輸入信號上升沿，并相應(yīng) 地啟動存儲或升壓操作的智能電路?？商鎿Q地，識別電路可以是比較 器電路°根據(jù)又一個方面，升壓電路另外還包含一個被配置以吸收電流 的電流源。由參考電壓發(fā)生器提供的參考電壓可以有選擇地控制電流 源。參考電壓發(fā)生器可以是外部或內(nèi)部電壓發(fā)生器。本發(fā)明的這個方面提供了升壓電路，其啟動將能量存儲進(jìn)能量 存儲設(shè)備的步驟和對中間信號進(jìn)行升壓的升壓步驟，該中間信號是放 大器/緩存器的輸出狀態(tài)的指示。另外，這個方面提供了具有所述升 壓電路的電壓參考發(fā)生器，該電壓參考發(fā)生器可以與放大器/緩存器 一起構(gòu)建。可替換地，放大器/緩存器可被啟動以從外部源接收參考 電壓。另外，參考電壓對通過電流吸收的電流進(jìn)行控制。從而，選擇 所述電壓，以便它使得電流源只吸收通過電流源吸收的電流的識別 量。比所述的電流的識別量大的任何電流都會導(dǎo)致所述電流源一端的 電壓增大。根據(jù)另一方面，輸出級包含用以接收至少中間信號和選擇性地 啟動由中間信號指示的所述放大器/緩存器的輸出的識別狀態(tài)的電 路。本發(fā)明的這個方面允許提供這樣的電路，該電路提供了全擺幅放 大的/緩存的輸出信號。另外，該方面在放大器/緩存器使用多于兩個 時鐘信號的情況下允許一個或多個下拉電路的耦合，并且對于多個時鐘信號，期望將輸出強(qiáng)有力地拉至接地電壓或vdd。類似地，它還允許耦合多個上拉電路。輸入級、輸出級和升壓電路與電路可布置有能使元件不受由于 升壓或其他原因?qū)е碌碾妷哼^沖的影響的電路。


參照附圖，對本發(fā)明的這些或其他的方面進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中，圖1示出了具有兩個反相器的標(biāo)準(zhǔn)CMOS緩存器/放大器電路； 圖2示出了采用耗盡型晶體管的用于單傳導(dǎo)類型緩存器/放大器 的標(biāo)準(zhǔn)電路；圖3示出了采用了二極管連接模式的晶體管的單傳導(dǎo)和單閾值 類型緩存器/放大器；圖4示出了用以接收互補(bǔ)輸入的單傳導(dǎo)和單閾值類型緩存器/放大器；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的單傳導(dǎo)和單閾值類型緩存器/放大器的框圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的單傳導(dǎo)和單閾值類型緩存器/放大器的 詳細(xì)框圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的單傳導(dǎo)和單閾值類型緩存器/放大器的 詳細(xì)電路圖。
具體實施方式
對于時鐘信號ClkA和ClkB，描述了瞬時電路(instant circuit)，這兩個時鐘信號可以具有互補(bǔ)并部分重疊的邊沿，然而， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所示的緩存器/放大器不僅限于時鐘信號， 它適于任何輸入信號。在前面的討論中已經(jīng)參照了圖1、 2、 3和4?，F(xiàn)在參照圖5，其示出了根據(jù)本發(fā)明的單傳導(dǎo)和單閾值類型緩存 器/放大器的框圖500。本發(fā)明的緩存器/放大器由接收用以緩存/放 大的一個或多個輸入信號ClkA、ClkB的輸入級510組成。輸入級510 提供了中間信號511，其控制所述放大器/緩存器的輸出狀態(tài)。中間 信號511被提供至升壓電路520。升壓電路520接收一個或多個輸入 信號ClkA、 ClkB和ref。配置升壓電路520來識別放大器/緩存器的 運(yùn)行階段，并選擇性地在所述信號511已經(jīng)超過了預(yù)定值時對中間信 號511進(jìn)行升壓。放大器/緩存器還具有輸出級530，其接收至少所 述信號并啟動放大的/緩存的輸出。輸出級還可以接受用于啟動輸出 狀態(tài)的一個或多個輸入信號ClkB，該輸出狀態(tài)與由中間信號511識別/控制的輸出的所述識別狀態(tài)是互補(bǔ)或匹配的。對電路的操作可以 進(jìn)行如下理解輸出級510接收要被緩存或放大的輸入信號ClkA、ClkB，并提供中間信號511，中間信號指示了放大器/緩存器的輸出 的希望的狀態(tài)。中間信號511由升壓電路520和輸出級530接收。升 壓電路520識別電路的運(yùn)行階段并選擇性地啟動信號511的升壓。如 果信號511的值超過了預(yù)定值，則相應(yīng)地進(jìn)行對信號升壓的選擇。一 旦接收到己升壓的中間信號511，輸出級530就提供放大的/緩存的 信號。在后面的討論中，電路的操作變得更清楚。現(xiàn)在參照圖6，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個可行的實施例的詳細(xì) 框圖600。在該實施例中，具有互補(bǔ)并部分重疊的邊沿的時鐘信號 ClkA和ClkB被用于緩存/放大它們的被識別的邊沿。然而，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的實施例不僅限于這些時鐘信號的應(yīng) 用。在這個示例中，為了圖示說明，示出了響應(yīng)于ClkA的上升沿和 ClkB的上升沿的放大器/緩存器，g卩，放大器/緩存器的輸出的上升 沿跟隨時鐘信號ClkA的上升沿，放大器/緩存器的輸出的下降沿跟隨 時鐘信號ClkB的上升沿。根據(jù)該實施例的放大器/緩存器具有圖5的基本塊510、 520和 530。另外，將參考電壓發(fā)生器610與塊升壓電路520耦合在一起。 升壓電路520具有由參考電壓發(fā)生器610控制的電流源611，電流源 的控制信號(參考電壓ref)被選擇以使得電流源611吸收預(yù)定的電 流。另外，升壓電路520具有能量存儲設(shè)備613和識別電路612，其 識別運(yùn)行階段并促進(jìn)將能量存儲進(jìn)能量存儲設(shè)備613或促進(jìn)通過開 關(guān)614對中間信號511的升壓。應(yīng)當(dāng)注意到，可以從外部源接收到參 考電壓ref，或者還可以通過提供具有放大器/緩存器的電壓發(fā)生器 來接收參考電壓。輸出級530具有用以接收時鐘信號clkB和信號511 的塊618?？梢匀缦吕斫怆娐返牟僮?。輸入級510接收時鐘信號clkA和clkB，并選擇性地提供響應(yīng)于 clkA上升沿或clkB上升沿的信號511。在clkA的上升沿，塊510 提供了中間信號511，中間信號511指示了放大器/緩存器的輸出的期望狀態(tài)為高電平。在這個時間點(diǎn)考慮升壓電路520。高電平信號511 接通開關(guān)616，時鐘信號clkB斷開開關(guān)615?，F(xiàn)在，如果在接通電路 的時候開關(guān)614最初是接通狀態(tài)，那么，能量存儲設(shè)備613通過承載 了中間信號511的信號線和開關(guān)614開始存儲能量。電流開始流經(jīng)電 流源611。電流源611被配置成吸收有限數(shù)量的電流。因此，在節(jié)點(diǎn) 619觀察到電壓的增加，這是由識別電路612識別到的。響應(yīng)于此， 識別電路斷開通過晶體管616將能量存儲設(shè)備耦合至L的開關(guān)614， 晶體管616通過將存儲在存儲設(shè)備613中的電荷推進(jìn)中間信號線511 來使得中間信號升壓。輸出級530接收時鐘信號clkB和中間信號 511。 一旦接收到已升壓的中間信號511，輸出級就提供緩存后的/放 大后的輸出，并且針對時鐘信號clkB的上升沿，它拉低輸出信號。 應(yīng)當(dāng)注意的是，輸出塊可具有用以實現(xiàn)放大器/緩存器的其他電路， 該其他電路允許在電路中的利用多個重疊時鐘信號的應(yīng)用，例如，在 待決專利申請[l]中描述的應(yīng)用。
現(xiàn)在參照圖7，其示出了利用根據(jù)本發(fā)明的單傳導(dǎo)和單閾值類型 電路元件實現(xiàn)的放大器/緩存器的詳盡的電路框圖700。晶體管701、 702、 703形成了參考電壓發(fā)生器。將由參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生的參考 電壓被提供給晶體管704的柵極。于是，該晶體管起電流源的作用。 在當(dāng)節(jié)點(diǎn)719是接地電平并且clkA變?yōu)楦唠娖綍r的情況下，那么， 信號711開始通過晶體管706上升至高電平。然而，在該點(diǎn)，由于它 的柵極711低于閾值，晶體管716沒有導(dǎo)通?，F(xiàn)在，假定在接通電路 時或在先前的時鐘周期中，節(jié)點(diǎn)705已被預(yù)先充電至高電平值，那么， 晶體管714處于導(dǎo)通狀態(tài)。這導(dǎo)致能量存儲設(shè)備712通過晶體管706、 714和電流源704的充電。當(dāng)信號711達(dá)到了高于晶體管716的閾值 電壓的電平，它開始導(dǎo)通，這導(dǎo)致了流經(jīng)晶體管714和電流源704 的電流增大。設(shè)計電流源704來吸收電流，該電流小于流經(jīng)晶體管 716的導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)719處電壓增大的電流。719處增大的電壓使得晶 體管707導(dǎo)通，并使節(jié)點(diǎn)705對地放電，從而關(guān)斷晶體管714。在該 點(diǎn)，能量存儲設(shè)備712被充電，晶體管716導(dǎo)通，于是將節(jié)點(diǎn)719 處的電壓進(jìn)一步地拉至Vdd。由于通過充電后的能量存儲設(shè)備(電容)712的電容耦合，節(jié)點(diǎn)711上升至高于Vdd，完全拉開晶體管708。在 這種狀態(tài)下，晶體管708提供了接近高電壓供電電平Vdd的輸出out 的全擺幅。這完成了輸出脈沖的上升沿。輸出脈沖的下降沿由第二輸 入信號clkB的上升沿控制，輸入信號clkB與輸入時鐘信號clkA的 下降沿部分重疊。當(dāng)clkA下降而clkB上升時，晶體管706停止導(dǎo)通。 信號711被晶體管718和710拉至地。通過晶體管709將輸出out 拉低。而且，通過晶體管715將節(jié)點(diǎn)719拉至接地。同時，通過晶體 管717對節(jié)點(diǎn)705充電。注意，二極管形式連接的晶體管713只用于 定時調(diào)諧的目的。這解釋了放大器/緩存器的上升沿和下降沿。
在上述討論中，解釋了采用N傳導(dǎo)類型元件的本發(fā)明實施例。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，采用P傳導(dǎo)類型元件的可替換實施例也 是同樣可行的。前面的解釋類似地適用于所述的可替換的實施例。
應(yīng)當(dāng)注意的是，上述的實施例圖示說明了本發(fā)明，而不是限制 本發(fā)明，在不脫離附屬的權(quán)利要求的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 設(shè)計很多可替換的實施例。在權(quán)利要求中，位于括號中的任何參考標(biāo) 號不應(yīng)當(dāng)解釋為對權(quán)力要求的限制。詞匯"包含"不排除沒有在權(quán)利 要求中列出的元件或步驟的出現(xiàn)。在元件前的詞匯"一個"或"一種" 不排除多個同樣元件的出現(xiàn)。本發(fā)明可以利用通過適當(dāng)編程的計算機(jī) 以軟件實現(xiàn)。在系統(tǒng)權(quán)利要求中列舉了一些裝置，可以通過同一個計 算機(jī)可讀軟件或硬件來實現(xiàn)這些裝置中的一些。
參考文獻(xiàn)歐洲專利申請05108653. 6。
權(quán)利要求
1.一種放大器/緩存器，其由單閾值和單傳導(dǎo)類型的電路元件組成，所述放大器/緩存器包括輸入級，用以接收用于緩存/放大的一個或多個輸入信號，并提供中間信號來控制所述放大器/緩存器的輸出；升壓電路，其被配置來在所述信號已經(jīng)超過預(yù)定值時對所述中間信號進(jìn)行升壓；以及輸出級，用以響應(yīng)于至少中間信號來提供已放大/已緩存的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器/緩存器，其中，所述升壓電路包括能量存儲設(shè)備，其被配置成在所述放大器/緩存器的運(yùn)行階段期間存儲能量，并對存儲的能量進(jìn)行放電以對所述中間信號進(jìn)行升壓； 識別電路，其用于識別所述運(yùn)行階段以及對所述中間信號是否 已經(jīng)超過了所述預(yù)定值進(jìn)行識別，以及根據(jù)所述識別來選擇性地啟動 信號的升壓或存儲能量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器/緩存器，其中，所述預(yù)定值 被識別為由所述識別電路識別以便識別所述放大器/緩存器的輸出狀 態(tài)的電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的放大器/緩存器，其中，所述升壓電 路另外還包含被配置成吸收電流的電流源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器/緩存器，其中，所述電流源 由參考電壓控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大器/緩存器，其中，所述參考電壓是從參考電壓發(fā)生器接收到的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器/緩存器，其中，所述輸出級 包含用以接收至少所述中間信號并選擇性地啟動由所述中間信號指 示的所述放大器/緩存器的輸出的識別狀態(tài)的電路。
全文摘要
一種由單閾值和單傳導(dǎo)類型的電路元件組成的放大器/緩存器，所述放大器/緩存器包括用以接收用于緩存/放大的一個或多個輸入并提供一種中間信號來控制放大器/緩存器的輸出的輸入級。將所述中間信號提供給升壓電路，所述升壓電路被配置成在所述信號已超過預(yù)定值時對所述信號進(jìn)行升壓。所述放大器/緩存器還具有用以接收至少所述信號并提供放大后的/緩存后輸出的輸出級。
文檔編號H03K17/06GK101283506SQ200680037040
公開日2008年10月8日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者安德烈·米希里特斯基, 尼古拉斯·蘭貝特, 皮埃爾·H·武爾萊, 維克多·M·G·范阿赫特 申請人:Nxp股份有限公司