基于EEPROM單元的陣列式靈敏放大器的設計

摘要：本文通過(guò)使用already-on(native)元件所提出的陣列式靈敏放大器的改進(jìn)結構，雖然該結構會(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)，可有效的感應位線(xiàn)上更小的充電電流。并且在沒(méi)有其它功耗增加的基礎上，性能卻得到了提高。并且它的設計簡(jiǎn)單，在具體的工藝過(guò)程中很容易實(shí)現。

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)性存儲器EEPROM由于在電源消失后，存儲后的數據依然存在，且擦除簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。使得EEPROM廣泛用于可改寫(xiě)易使用的數據存儲領(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，它負責將存儲器件中存儲的內容讀出來(lái)。對靈敏放大器最基本的要求就是讀取數據準確；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計。

2.1設計思想

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(zhù)舉足輕重的作用。它可通過(guò)加速位線(xiàn)過(guò)渡過(guò)程，也可通過(guò)檢測位線(xiàn)上很小的過(guò)渡變化并把它放大到較大的信號輸出擺幅來(lái)彌補存儲單元有限的扇出驅動(dòng)能力。從而實(shí)現減小延時(shí)改善性能的要求^[2]。但是，隨著(zhù)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(lái)越少。而且，它低功耗的電流設計目標也要求實(shí)現成倍的減少。若采用傳統的增強型感應器件則無(wú)法感應出如此小的位線(xiàn)充電電流，在這里如果增加一個(gè)already-on(native)器件，將會(huì )出現什么樣的結果呢？

2.2Already-on(native)元件的結構及其特性

在本論文中所涉及到的Already-on(native)元件是一種MOS結構，它與一般MOS結構不同的是元件本身不在Nwell中也不在Pwell中，它的MOS結構直接制作在P襯底中，其元件結構如圖一所示。根據這種結構特點(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)元件的剖面結構圖

1）它的穩態(tài)電壓（閾值電壓V_t）與其通道長(cháng)度幾乎是線(xiàn)形關(guān)系，這使得already-on(native)元件的設計應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(guò)負電壓產(chǎn)生電路內建到晶片上，此負電壓可以讓元件關(guān)閉到比一般元件更低的漏     電流，這樣IC的功耗可以達到更低。

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

2.3陣列式靈敏放大器的工作原理

目前，大多數可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）為了實(shí)現低功耗的要求，通常會(huì )根據器件所處理的任務(wù)強度不同而實(shí)現不同的功耗模式，以達到降低總功耗。所以會(huì )根據控制信號的不同，通過(guò)電壓轉換器采用多電壓模式，從而實(shí)現低功耗和高功耗兩種狀態(tài)。本文所設計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(lái)自EEPROM陣列的位線(xiàn)，P是輸出，LP是低功耗控制信號，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：當位線(xiàn)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(lái)，DL通過(guò)器件XMNH2和XMP1（在高功耗模式）被上拉到V_HPREE ，而SL通過(guò)XMN3器件被下拉至GND。此時(shí)，XMN2導通，將把節點(diǎn)H2下拉并且驅動(dòng)輸出P到V_CC。當在位線(xiàn)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，使得節點(diǎn)H2上拉并且驅動(dòng)輸出P到GND。由于在每個(gè)位線(xiàn)上可以提供多于100的EEPROM單元，這使得在位線(xiàn)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，在其電平轉換電路控制下，根據操作的不同，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單元導通，而NOR速度表示EEPROM單元關(guān)斷。該圖表明，兩者轉換所達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(xiàn)圖

2.4改進(jìn)后的電路

為了感應更小的充電電流，本文在已經(jīng)存在的電路上做了稍微的改進(jìn)，即通過(guò)增加一個(gè)already-on(native)元件XMN2LP和一個(gè)開(kāi)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計^[4]。

XMN2用來(lái)感應處于高功耗模式的位線(xiàn)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(mén)的轉換速度變慢。如圖四的曲線(xiàn)a所示；若采用改進(jìn)的結構，即通過(guò)使用already-on(native)元件XMN2LP來(lái)感應低功耗模式時(shí)的位線(xiàn)狀態(tài)，則會(huì )明顯使得靈敏放大器NOR門(mén)的轉換速度變快2.5ns, 如圖四的曲線(xiàn)b所示。因此該圖明顯的表明了使用already-on(native)元件作為位線(xiàn)感應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(xiàn)圖

產(chǎn)生這一結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, 明顯低于增強型器件（V_t=0.7V）。因此，在低電壓模式時(shí)，當使用增強型器件時(shí)，要使靈敏放大器進(jìn)入充電狀態(tài)，則要保證XMN2導通。然而，由于XMN2的閾值V_t=0.7V，所以在XMN2導通之前DL和SL將通過(guò)0.7V而分離。

但是，在使用了already-on(native)元件XMN2LP（V_t=0.3V）后，當LP=V_CC時(shí)，可使該元件激活，所以在靈敏放大器開(kāi)關(guān)之前DL和SL通過(guò)0.3V而分離。所以說(shuō)它的分離電壓更小，從而使其在低功耗模式時(shí)導通的速度更快，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，當在2.4V時(shí)，already-on(native)元件所提供的延時(shí)要比增強型元件少2.5ns。所以，這種改進(jìn)型的靈敏放大器在功耗沒(méi)有任何增加的情況下實(shí)現了性能的改進(jìn)。當然這一結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結論

靈敏放大器作為存儲器最重要的外圍電路之一，它性能的好壞直接影響著(zhù)整個(gè)電路的優(yōu)劣。本文通過(guò)對它兩種功耗模式的具體分析，針對低功耗模式采用already-on(native)元件進(jìn)行電路改進(jìn)，實(shí)驗證明，該結構確實(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)元件所構成的陣列式靈敏放大器的改進(jìn)結構，雖然該結構會(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)，可有效的感應位線(xiàn)上更小的充電電流；并且在沒(méi)有其它功耗增加的基礎上，性能得到了提高；并且它的設計簡(jiǎn)單，在具體的工藝過(guò)程中很容易實(shí)現。