高速低功耗電流型靈敏放大器的設計

摘要：提出了一款適合在低電壓、大容量SRAM中應用的高速低功耗電流型靈敏放大器。該電路在交叉耦合反相器之間添加了一對隔離管，有效消除了大量位線寄生電容所帶來的負面影響，從而極大提高了靈敏放大器的速度。同時，通過對時序控制電路的優(yōu)化，有效降低了放大器的功耗。采用SMIC 0．13 μm數(shù)字工藝在HSpice下進行仿真，結果表明：在室溫，1．2 V工作電壓下，靈敏放大器的放大延遲僅為0．344ns，功耗為102 μW。相比文獻中提出的電流型靈敏放大器，速度分別提高了9．47％和31．2％，功耗則降低了64．8％與63％。
關鍵詞：電流型靈敏放大器；交叉耦合反相器；隔離管；時序控制電路

0 引言
靜態(tài)隨機訪問存儲器(SRAM)最初作為CPU與內存之間的緩存。近年來已廣泛應用于高性能通信網絡、便攜式設備以及SOC系統(tǒng)中，呈現(xiàn)出向高速器件與低功耗性能方向發(fā)展的趨勢。因此，設計高速低功耗的SRAM已成為現(xiàn)在SRAM技術的主流方向。靈敏放大器是SRAM的重要組成部分，它將位線上的微小信號差迅速放大到全擺幅模式，從而有效減小數(shù)據(jù)的讀出延遲，同時由于不需要對位線電容完全充放電，因此也在某種程度上降低了功耗。所以，對高性能靈敏放大器進行設計是得到高速低功耗SRAM的一個有效途徑。根據(jù)對位線上要進行處理的信號類型的不同，靈敏放大器可分為電壓型靈敏放大器和電流型靈敏放大器。由于電流型靈敏放大器直接檢測位線上的電流變化，不需要轉化為電壓信號，因此在速度上更具有優(yōu)勢，可滿足高速的要求。針對不同的應用層面，目前出現(xiàn)了多種電流型靈敏放大器的設計結構：有源負載PBT結構，其優(yōu)點是輸出不受電源電壓及偏置電壓的影響；基于電流鏡結構的電流靈敏放大器，可以應用在低壓非易失存儲器中；為了消除位線噪聲電流，而提出的采用位線漏電流補償技術的電流型靈敏放大器；單端偽差分電流靈敏放大器，旨在改善SRAM讀出操作時的穩(wěn)定性及延遲；為降低功耗而提出的由兩級放大(全局和局部放大)構成的全電流模式靈敏放大器以及APD靈敏放大器。
本文在分析目前廣泛應用的電流型靈敏放大器的基礎上，提出了一種改進型的結構，以提高靈敏放大器的速度為主要目標，兼顧考慮功耗，以實現(xiàn)速度和功耗之間合理的折衷。

1 傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器
傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器是由4個晶體管構成的交叉耦合反相器單元，位線信號從漏極輸入，經正反饋放大，再由漏極輸出，電路如圖1所示。靈敏放大器有2個工作階段：預充電和信號放大階段。預充電時，2個上拉P管將位線電壓拉至VDD，同時平衡管(M3)開啟，使位線電壓近似相等；當靈敏放大器使能信號有效時，便進入放大階段，檢測到位線上電流的變化差值并放大輸出。

2 改進的電流型靈敏放大器
上述分析的靈敏放大器的輸入和輸出共用同一個端口，容易相互產生串擾，造成輸出結果錯誤，并且當該端口作為輸出端時，由于位線寄生電容較大，會浪費部分時間在對該電容進行充放電上，由靈敏放大器的延遲公式即式(1)可以看出，當位線電容Cbit增大時，延遲Td也將變大，不利于高速靈敏放大器的設計。所以可在原有電路結構的基礎上添加一對隔離管，并對外圍電路做一改進，具體結構如圖2所示。

當靈敏放大器進行放大時，隔離管(M10和M11)開啟，信號輸入和輸出端被隔斷，輸出時可以不必考慮端口的寄生電容，因此有效提高了靈敏放大器的速度；并且當靈敏放大器處于預充狀態(tài)時，隔離管關閉，這樣反相器的P管和N管就被隔離開，之間沒有通路，也就沒有漏電流，從而降低了電路的功耗。