基于EEPROM單元的陣列式靈敏放大器的設(shè)計(jì)

摘要：本文通過使用already-on(native)元件所提出的陣列式靈敏放大器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，雖然該結(jié)構(gòu)會(huì)使版圖的面積增大，芯片的成本增加；但在它處于低功耗模式時(shí)，可有效的感應(yīng)位線上更小的充電電流。并且在沒有其它功耗增加的基礎(chǔ)上，性能卻得到了提高。并且它的設(shè)計(jì)簡單，在具體的工藝過程中很容易實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：EEPROM單元；陣列式靈敏放大器；Already-on(native)元件

1介紹

非揮發(fā)性存儲(chǔ)器EEPROM由于在電源消失后，存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)依然存在，且擦除簡單的特點(diǎn)。使得EEPROM廣泛用于可改寫易使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，如智能卡、非接觸卡、移動(dòng)通訊和微控制器等^[1][2]。

靈敏放大器是EEPROM中最重要的電路之一，它負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)器件中存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出來。對(duì)靈敏放大器最基本的要求就是讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；不僅如此，還要求加快讀取的速度，并且減少它的功耗。下文將介紹一種性能提高而功耗不增加的改進(jìn)型陣列靈敏放大器的設(shè)計(jì)。

2.1設(shè)計(jì)思想

靈敏放大器在可編程邏輯器件的功耗性和可靠性方面起著舉足輕重的作用。它可通過加速位線過渡過程，也可通過檢測位線上很小的過渡變化并把它放大到較大的信號(hào)輸出擺幅來彌補(bǔ)存儲(chǔ)單元有限的扇出驅(qū)動(dòng)能力。從而實(shí)現(xiàn)減小延時(shí)改善性能的要求^[2]。但是，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，靈敏放大器的高功耗靜態(tài)電流Icc要求越來越少。而且，它低功耗的電流設(shè)計(jì)目標(biāo)也要求實(shí)現(xiàn)成倍的減少。若采用傳統(tǒng)的增強(qiáng)型感應(yīng)器件則無法感應(yīng)出如此小的位線充電電流，在這里如果增加一個(gè)already-on(native)器件，將會(huì)出現(xiàn)什么樣的結(jié)果呢？

2.2Already-on(native)元件的結(jié)構(gòu)及其特性

在本論文中所涉及到的Already-on(native)元件是一種MOS結(jié)構(gòu)，它與一般MOS結(jié)構(gòu)不同的是元件本身不在Nwell中也不在Pwell中，它的MOS結(jié)構(gòu)直接制作在P襯底中，其元件結(jié)構(gòu)如圖一所示。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它有以下幾個(gè)特性^[3]：

圖一  一般NMOS元件、PMOS元件及在此所提出的already-on(native)元件的剖面結(jié)構(gòu)圖

1）它的穩(wěn)態(tài)電壓（閾值電壓V_t）與其通道長度幾乎是線形關(guān)系，這使得already-on(native)元件的設(shè)計(jì)應(yīng)用更加容易的被精確控制，并使得它的閾值電壓更低。

2）  通過負(fù)電壓產(chǎn)生電路內(nèi)建到晶片上，此負(fù)電壓可以讓元件關(guān)閉到比一般元件更低的漏     電流，這樣IC的功耗可以達(dá)到更低。

3）  這種already-on(native)元件的制作不須額外的成本，且與現(xiàn)有的工藝過程完全兼容。

2.3陣列式靈敏放大器的工作原理

目前，大多數(shù)可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）為了實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，通常會(huì)根據(jù)器件所處理的任務(wù)強(qiáng)度不同而實(shí)現(xiàn)不同的功耗模式，以達(dá)到降低總功耗。所以會(huì)根據(jù)控制信號(hào)的不同，通過電壓轉(zhuǎn)換器采用多電壓模式，從而實(shí)現(xiàn)低功耗和高功耗兩種狀態(tài)。本文所設(shè)計(jì)的陣列式靈敏放大器就有此功耗模式的要求。

圖二是該陣列靈敏放大器的邏輯圖，DL和SL是來自EEPROM陣列的位線，P是輸出，LP是低功耗控制信號(hào)，V_HPREE和V_LPREE是低功耗和高功耗時(shí)的參考電壓。

電路的工作原理如下：當(dāng)位線上的所有單元處于非工作狀態(tài)時(shí)，即把DL和SL連接起來，DL通過器件XMNH2和XMP1（在高功耗模式）被上拉到V_HPREE ，而SL通過XMN3器件被下拉至GND。此時(shí)，XMN2導(dǎo)通，將把節(jié)點(diǎn)H2下拉并且驅(qū)動(dòng)輸出P到V_CC。當(dāng)在位線上的單元處于工作狀態(tài)時(shí)，DL和SL被拉至足夠相近，XMN2關(guān)斷，使得節(jié)點(diǎn)H2上拉并且驅(qū)動(dòng)輸出P到GND。由于在每個(gè)位線上可以提供多于100的EEPROM單元，這使得在位線上產(chǎn)生了巨大的電容。假定一個(gè)EEPROM單元處于特定狀態(tài)時(shí)，如在陣列中，所有單元的S端連接在一起，在其電平轉(zhuǎn)換電路控制下，根據(jù)操作的不同，呈浮空、接地或者接測試時(shí)所給的電壓等狀態(tài)。在此某一狀態(tài)時(shí)，處于高功耗時(shí)將有一個(gè)最佳的參考電壓V_HPREE，這個(gè)最佳值將輸出P的轉(zhuǎn)換速度平衡到V_CC或者GND。

如圖三所示，圖中的COL速度表示EEPROM單元導(dǎo)通，而NOR速度表示EEPROM單元關(guān)斷。該圖表明，兩者轉(zhuǎn)換所達(dá)到最佳性能的參考電壓是在2.7V左右。

                         V_HPREE(伏特)

圖三 靈敏放大器的延時(shí)與V_HPREE的關(guān)系曲線圖

2.4改進(jìn)后的電路

為了感應(yīng)更小的充電電流，本文在已經(jīng)存在的電路上做了稍微的改進(jìn)，即通過增加一個(gè)already-on(native)元件XMN2LP和一個(gè)開關(guān)元件XMNLP，如圖二的右下角部分所示，它們將和XMN2并列在一起組成整個(gè)改進(jìn)的陣列式靈敏放大器的邏輯圖設(shè)計(jì)^[4]。

XMN2用來感應(yīng)處于高功耗模式的位線狀態(tài)，如果在低功耗模式時(shí)依然使用同樣的器件，則會(huì)使得靈敏放大器NOR門的轉(zhuǎn)換速度變慢。如圖四的曲線a所示；若采用改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，即通過使用already-on(native)元件XMN2LP來感應(yīng)低功耗模式時(shí)的位線狀態(tài)，則會(huì)明顯使得靈敏放大器NOR門的轉(zhuǎn)換速度變快2.5ns, 如圖四的曲線b所示。因此該圖明顯的表明了使用already-on(native)元件作為位線感應(yīng)元件所顯示的速度上的改進(jìn)。

                            V_LPREE(伏特)

圖四 靈敏放大器的延時(shí)與V_LPREE的關(guān)系曲線圖

產(chǎn)生這一結(jié)果的原因就是由于使用了already-on(native)元件，正如前面所講到的一樣，該元件具有最快的導(dǎo)通速度和最低的閾值電壓，它的閾值V_t=0.3V, 明顯低于增強(qiáng)型器件（V_t=0.7V）。因此，在低電壓模式時(shí)，當(dāng)使用增強(qiáng)型器件時(shí)，要使靈敏放大器進(jìn)入充電狀態(tài)，則要保證XMN2導(dǎo)通。然而，由于XMN2的閾值V_t=0.7V，所以在XMN2導(dǎo)通之前DL和SL將通過0.7V而分離。

但是，在使用了already-on(native)元件XMN2LP（V_t=0.3V）后，當(dāng)LP=V_CC時(shí)，可使該元件激活，所以在靈敏放大器開關(guān)之前DL和SL通過0.3V而分離。所以說它的分離電壓更小，從而使其在低功耗模式時(shí)導(dǎo)通的速度更快，延時(shí)更小，因此使得靈敏放大器的性能得到改進(jìn)。由圖四可知，當(dāng)在2.4V時(shí)，already-on(native)元件所提供的延時(shí)要比增強(qiáng)型元件少2.5ns。所以，這種改進(jìn)型的靈敏放大器在功耗沒有任何增加的情況下實(shí)現(xiàn)了性能的改進(jìn)。當(dāng)然這一結(jié)論僅僅是在低功耗模式下所獲得的。

而在高功耗模式時(shí)，EEPROM陣列單元由于并不足夠強(qiáng)到可以把DL和SL拉到0.3V，這也使得already-on(native)元件關(guān)斷，靈敏放大器就不會(huì)進(jìn)行合適的操作。因此，在整個(gè)高功耗模式時(shí)already-on(native)元件是失效的。

3結(jié)論

靈敏放大器作為存儲(chǔ)器最重要的外圍電路之一，它性能的好壞直接影響著整個(gè)電路的優(yōu)劣。本文通過對(duì)它兩種功耗模式的具體分析，針對(duì)低功耗模式采用already-on(native)元件進(jìn)行電路改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)確實(shí)可以改善電路的性能。因此，本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是提出了使用already-on(native)元件所構(gòu)成的陣列式靈敏放大器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，雖然該結(jié)構(gòu)會(huì)使版圖的面積增大，芯片的成本增加；但在它處于低功耗模式時(shí)，可有效的感應(yīng)位線上更小的充電電流；并且在沒有其它功耗增加的基礎(chǔ)上，性能得到了提高；并且它的設(shè)計(jì)簡單，在具體的工藝過程中很容易實(shí)現(xiàn)。