溫芝權(quán) 王昉 史順達(dá)

蘇州雄立科技有限公司 江蘇 蘇州 215000

引言

現(xiàn)如今，由于靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）具備低功耗、高速存儲等優(yōu)良特性，所以在各類電子產(chǎn)品中受到了越來越多技術(shù)人員的關(guān)注。SRAM的應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛，尤其是在儀器儀表、圖像識別和聲頻信號處理等代表的高新技術(shù)裝備中[1]。在目前應(yīng)用領(lǐng)域中，SRAM的穩(wěn)定性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。SRAM的基礎(chǔ)架構(gòu)是由存儲單位陣列和外層集成電路組成，而存儲單位陣列的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，通常由制造技術(shù)的技術(shù)水準(zhǔn)決定，因此，目前的技術(shù)發(fā)展主要是通過改進(jìn)外層集成電路的部分來提高SRAM的穩(wěn)定性[2]。SRAM的外層電路中靈敏放大器是最為關(guān)鍵的組成部分，其抗干擾、可靠等特性的好壞將對整體SRAM的功能實(shí)現(xiàn)、反應(yīng)速度以及耗電量等相關(guān)方面都產(chǎn)生了巨大的影響。

傳統(tǒng)的靈敏放大器中所用的脈沖產(chǎn)生電路都是由串聯(lián)的反相器所連接組成起來的，而產(chǎn)生出的高電平脈沖的持續(xù)時間又是依靠反相器的延遲時間，因此我們很難精確有效地控制脈沖持續(xù)時間，一旦這個高電平的脈沖持續(xù)時間太長，則會導(dǎo)致大幅度減慢SRAM的有效讀取和寫入[3]；一旦高電平的脈沖持續(xù)時間太過短，則也會導(dǎo)致靈敏放大器將無法精準(zhǔn)有效讀取和寫入。

在對當(dāng)前廣泛使用的常規(guī)的鎖存器型靈敏放大器體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷進(jìn)行了深入的研究之后，給出了一種改進(jìn)方案，使鎖存器型靈敏放大器內(nèi)部的脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈沖寬度可隨著鎖存器型靈敏放大器的工作狀態(tài)而自行調(diào)節(jié)的控制脈沖。

1 新型靈敏放大器設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)了一種由兩組 PMOS管與 NMOS管串聯(lián)的串聯(lián)支路并聯(lián)連接構(gòu)成的新型鎖存型放大電路，該鎖存型放大電路系統(tǒng)中的靈敏放大器可以實(shí)現(xiàn)讓脈沖產(chǎn)生電路自動控制脈沖寬度的功能[4-5]。在這兩組互相連接的串聯(lián)支路系統(tǒng)中，PMOS管與NMOS管之間的兩個公共點(diǎn)分別由其他兩條傳輸管道連接到兩條位線上，同時還使用了反相器和開關(guān)管分別將兩條PMOS管和兩條NMOS管之間的公共點(diǎn)固定到了全局鎖存電路的兩條鎖存線上，并且串聯(lián)分支的末端通過開關(guān)管連接地端。這個脈沖產(chǎn)生電路同時包含一個脈沖產(chǎn)生子電路和另外一個脈沖結(jié)束判決電路，將脈沖結(jié)束判決電路的兩個輸入端分別與兩條鎖存位線進(jìn)行連接，其兩個脈沖輸出端也分別與脈沖產(chǎn)生子電路的輸入端相連，用以控制脈沖產(chǎn)生子電路的工作狀態(tài)，與此同時，該脈沖結(jié)束判決電路的脈沖輸出端與鎖存型放大電路中的開關(guān)管的控制端加以連接，實(shí)現(xiàn)對鎖存型放大器電路系統(tǒng)的工作狀況的監(jiān)控；當(dāng)檢測到位線上的低電平時，這個脈沖結(jié)束判決系統(tǒng)就會自動產(chǎn)生一個以脈沖結(jié)束的3控制輸出指令，從而中斷鎖存型放大電路的正常工作[6]。

以上所述的方法說明，脈沖產(chǎn)生電路可以通過使用一個脈沖產(chǎn)生子電路和一個脈沖結(jié)束判決電路來實(shí)現(xiàn)。脈沖結(jié)束判決電路可用來實(shí)現(xiàn)通過測量SRAM鎖存器全局位線上的脈沖電壓信號來實(shí)時判斷當(dāng)前SRAM中存儲器的讀/寫轉(zhuǎn)換工作是否都已經(jīng)完成的效果。若在鎖存器位線上所測得的電壓都是低電平，輸出一個低電平脈沖[7]，控制靈敏放大器停止工作。這種脈沖電路可以自動滿足鎖存型放大電路的工作要求，不會因?yàn)橹圃旃に嚮蚣呻娐穬?nèi)部元件工作條件的變化而改變輸出脈沖寬度，從而提高了靈敏放大器的安全性。

2 新型靈敏放大器實(shí)現(xiàn)

2.1 新型靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)

在新型靈敏放大器電路的結(jié)構(gòu)圖中，鎖存放大電路主要由第一 PMOS管P1、第二 PMOS管P0、第一 NMOS管N1和第二NMOS管N0連接而成。脈沖產(chǎn)生電路主要由一個脈沖產(chǎn)生子電路和一個脈沖結(jié)束判決電路構(gòu)成。脈沖結(jié)束的判決電路可分為第一與非門I37、第三反相器I38，還有一個RS觸發(fā)器。脈沖產(chǎn)生子電路包含了第四反相器I7、第二與非門I4和第五反相器I3。圖1是一種新型靈敏放大器電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖，顯示出了對鎖存型放大電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 。

圖1 新型靈敏放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 新型靈敏放大器工作過程

基于上述圖1展示了鎖存型放大電路和脈沖產(chǎn)生電路的具體實(shí)現(xiàn)方式，進(jìn)而在這里詳細(xì)地說明新型靈敏放大器具體的運(yùn)行過程。當(dāng)使能端SA_EN = Vdd時，反相器I7會產(chǎn)生一個有效的低電平電壓，其中RS觸發(fā)器會輸出一個有效的高電平電壓，接著開關(guān)管N3接通；與此同時，與非門I4輸出高電平電壓，反相器I3輸出低電平電壓，這樣就使得開關(guān)管P3和開關(guān)管P4能夠接通起來，這樣才可以將位線BL和 BLN上的信號分別地傳輸至鎖存型放大電路系統(tǒng)中的SO節(jié)點(diǎn)和SON節(jié)點(diǎn)上[8]。當(dāng)BL和BLN位線上的差分電壓達(dá)到足夠高時，靜態(tài)隨機(jī)存儲器內(nèi)的控制電路就會使得使能端SA_EN為零。由反相器I7輸出一個有效高電平電壓，開關(guān)管N2接通，同時觸發(fā)器RS保持上一個工作狀態(tài)一直持續(xù)提供有效高電平電壓。當(dāng)開關(guān)N3接通時，進(jìn)而使與非門輸入I4輸入的兩個輸入端都為有效高電平電壓，輸出端都為低電平電壓[9]。反相器I3輸出一個高電平脈沖信號，所以第二開關(guān)管P3和開關(guān)管P4被切斷，這樣就封閉了位線BL和SO節(jié)點(diǎn)間以及BLN位線和SON節(jié)點(diǎn)之間的通道。這時開關(guān)N2和開關(guān)N3被同時導(dǎo)通，鎖存型放大電路系統(tǒng)開始工作，將小信號放大到邏輯電平，使GBL或GBLN位線被拉低到低電平電壓。在檢測到鎖存位線 GBL或 GBLN接收到了下拉電平信號之后，脈沖結(jié)束判決電路才關(guān)閉電源關(guān)掉鎖存型放大電路，這樣就不會出現(xiàn)由于脈沖發(fā)生電路所生成的脈沖信號寬度不足而出現(xiàn)脈沖電平傳遞達(dá)不到鎖存位線GBL或GBLN上或者脈沖電平無法被完全有效地直接地傳遞到鎖存位線GBL或GBLN上的情況，這樣就大大增加了靈敏放大器工作運(yùn)行的可靠性。

3 仿真與驗(yàn)證

本文主要從靈敏放大器控制信號隨著負(fù)載的變化情況和靜態(tài)隨機(jī)存儲器輸出端信號對常規(guī)的靈敏放大器和新型靈敏放大器進(jìn)行對比。我們利用Cadence仿真軟件對傳統(tǒng)的靈敏放大器和改進(jìn)的靈敏放大器進(jìn)行仿真，仿真時工作電壓設(shè)置為1.2V，溫度為室溫[10]。

在實(shí)際模擬中，如圖2波形圖所示，傳統(tǒng)的靈敏放大器脈沖信號寬度無法根據(jù)鎖存位線上的負(fù)載情況出現(xiàn)變化而接著發(fā)生改變，從而使應(yīng)用傳統(tǒng)靈敏放大器的靜態(tài)隨機(jī)存儲器的輸出端無法根據(jù)負(fù)載的改變而輸出正確的邏輯電平。

圖2 傳統(tǒng)鎖存器型靈敏放大器波形圖

表1展示出了當(dāng)采用傳統(tǒng)的靈敏放大器時，靜態(tài)隨機(jī)存儲器的輸出信號隨負(fù)載的改變情形。從表1中可得知，在使用傳統(tǒng)的靈敏放大器負(fù)載大于6.00E-13后就開始出現(xiàn)失效，這就表明了使用了傳統(tǒng)的靈敏型放大器SRAM的輸出會出現(xiàn)失效。

表1 常規(guī)靈敏放大器的SRAM輸出信號與負(fù)載情況表

新型靈敏放大器的波形圖如圖3所示， 脈沖寬度隨著鎖存電路中位線負(fù)載的變化而變化。這就確保了位線上的負(fù)載脈沖信號被正確放大，也就是說，位線上的邏輯電平是準(zhǔn)確的。

圖3 新型鎖存器型靈敏放大器的波形圖

表2是描述一種應(yīng)用新型靈敏型放大器的靜態(tài)隨機(jī)存儲器在輸出端所能傳輸出來的輸出信號及其和輸入負(fù)載的信號間相互作用的情況表。該表中在gbl_load負(fù)載是在負(fù)荷為 3.00E-13F時，輸出端輸出信號的電壓一直都是在1.2V，當(dāng)鎖存位線GBL上的負(fù)載為 1.00E-12F時，輸出端所輸出的信號一直都在完全有效的工作狀態(tài)，而且其輸出信號的輸出電壓都為1.2V，這表明采用新的靈敏放大器技術(shù)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器在不同的負(fù)載下仍然能夠有效地工作。

表2 新型靈敏放大器的SRAM輸出信號與負(fù)載間情況表

結(jié)果表明，新型靈敏放大器改善了常規(guī)靈敏放大器脈沖持續(xù)時間很難進(jìn)行準(zhǔn)確的控制的問題，能夠使鎖存器型靈敏放大器內(nèi)部的脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈沖寬度可隨著鎖存器型靈敏放大器的工作狀態(tài)而自行調(diào)節(jié)的控制脈沖。

4 結(jié)束語

本文在常規(guī)的靈敏放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的新型結(jié)構(gòu)，使鎖存靈敏放大器中的脈沖產(chǎn)生電路能夠產(chǎn)生一種控制脈沖，其脈沖寬度可以隨靈敏放大器的工作狀態(tài)而自動調(diào)整，從而有效提高靈敏放大器的抗干擾、可靠性等方面的特性。靈敏放大器的研究對于新一代信息應(yīng)用領(lǐng)域的裝備有著關(guān)鍵性影響，隨著復(fù)雜應(yīng)用需求的不斷提出所帶來的諸多問題，后續(xù)越來越多的新型結(jié)構(gòu)會被設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)出來，而鎖存器型靈敏放大器的發(fā)展也必將會對整個集成電路的發(fā)展起到不可替代的作用。