增進感測放大器速度及穩定性的電路及方法
2023-06-01 11:49:26 1
專利名稱：增進感測放大器速度及穩定性的電路及方法
所屬領域本發明涉及一種用於半導體存儲器的感測放大器(sense amplifier)，更確切地說，涉及一種增進感測放大器速度及穩定性的電路及方法。
為增加感測放大器的穩定性，一傳統技術是對感測節點VZ額外充電，如圖4中所示，此感測放大器24被加入一電流裝置，其時序圖在圖5中，電晶體MP2被提供一偏壓BIAS而產生一漏電流(1eakage current)Ileakage供應給感測節點VZ，因而獲得較佳的穩定性。
如圖6中所示，另一傳統技術在感測放大器26中增加一放電電流裝置MN3經一開關MN2連接數據節點VD，其時序圖在圖7中，感測放大器26在預充電期間先行對數據節點VD放電，以加速傳輸電晶體MN1被開啟。
Smarandoiu等人在美國專利第5390147號中的改進感測放大器增加一潤滑電流鏡連接數據節點及參考節點，並利用參考電流鏡的反饋，以改善感測放大器的速度。然而，如此的安排使得潤滑電流及參考電流經過反饋路徑影響感測電流，當非理想的狀況出現時，例如製造過程的差異造成參考電流的變動，將導致感測電流變化，因而發生感測速度變慢，甚至發生感測結果錯誤。因此，對感測放大器需要進行更進一步的改進。
本發明的電路是這樣實現的一種增進感測放大器速度及穩定性的電路，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節點，該輸入端耦合一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一數據信號，其特徵在於該電路包括第一電流鏡，含有第一及第二分支，以從該第一分支鏡射一中介電流在該第二分支，該第一分支與該數據節點之間插入一補償電流裝置，受控於第一控制信號而導通一補償電流；第二電流鏡，含有第三及第四分支，該第四分支耦合該感測節點，該第三分支適應該中介電流而鏡射一漏電流在該第四分支；以及一充電電流裝置耦合該感測節點，並受控於第二控制信號的反相輸入而導通一充電電流。
其中該第一控制信號是電源電壓。
其中該第一電流鏡具有一鏡射比為1比1至3比4。
其中該第二電流鏡具有一鏡射比為1比1。
其中該補償電流對該漏電流比為1比1至3比4。
更包括一放電電流裝置插入該數據節點與該第一電流鏡的第一分支之間，並受控於第三控制信號而導通一放電電流。
其中該第三控制信號為該第二控制信號的互補。
其中該充電電流對該放電電流比為5比1至10比1。
更包括一中介電晶體與該傳輸電晶體共柵極，且其源極與漏極分別連接該第一電流鏡的第二分支與該第二電流鏡的第三分支。
本發明的電路也可以是這樣實現的一種增進感測放大器速度及穩定性的電路，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一源極與一漏極，該漏極作為一感測節點，該源極作為一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一存儲信號，其特徵在於該電路包括第一電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數據節點，該柵極連接一偏壓信號；第二及第三電晶體組成的第一電流鏡，該第二及第三電晶體各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個源極接地，該兩個柵極彼此連接，該第二電晶體的漏極連接其柵極以及該第一電晶體的源極；第四電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接該第三電晶體的漏極，該柵極連接該傳輸電晶體的柵極；第五及第六電晶體組成的第二電流鏡，該第五及第六電晶體各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個源極連接一電源電壓，該兩個柵極彼此連接，該第五電晶體的漏極連接其柵極以及該第四電晶體的漏極，該第六電晶體的漏極連接該感測節點；以及第七電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接電源電壓，該漏極連接該感測節點，該柵極連接一預充電信號的互補信號的反相輸入。
其中該第二及第三電晶體的大小比為1比1至3比1。
其中該第五及第六電晶體的大小比為1比1。
其中該第二及第六電晶體導通的電流比為1比1至3比1。
更包括第八電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數據節點，該柵極連接該預充電信號。
其中該第七及第六電晶體導通的電流比為5比1至10比1。
本發明的方法是這樣實現的一種增進感測放大器速度及穩定性的方法，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節點，該輸入端耦合一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一數據信號，其特徵在於該方法包括下列步驟耦合一補償電流至該數據節點，以維持該傳輸電晶體不完全關閉及該數據節點不超過一定的電壓；鏡射該補償電流，以產生一漏電流耦合該感測節點；以及耦合一充電電流至該感測節點。
更包括施於一偏壓以操控該補償電流。
更包括施於一預充電信號的互補信號以操控該充電電流。
其中該補償電流對漏電流比為1比1至3比4。
更包括耦合一放電電流至該數據節點。
更包括施於一預充電信號以操控該放電電流。
其中該充電電流對放電電流比為5比1至10比1。
更包括耦合一中介電晶體與該傳輸電晶體共柵極，以開啟或關閉鏡射該補償電流及放電電流的路徑。
如同在傳統技藝中，感測放大器28也含有一充電電流裝置以改善速度，如圖8中所示，一電晶體MP1具有一源極連接一電源電壓VDD，一漏極連接感測節點VZ，以及一柵極連接一預充電信號的互補信號PREB的反相輸入。當電晶體MP1被信號PREB開啟時，一充電電流Icharge供應給感測節點VZ與數據節點VD，以完成開始感測的準備，並縮短感測時間。
為進一步改善感測速度，一補償電流裝置連接數據節點VD，如圖中所示，一電晶體MN4具有一漏極連接數據節點VD，以及一柵極連接一電源電壓VDD，因而產生一補償電流Ioffset，此補償電流Ioffset的大小約為4微安至6微安，以維持傳輸電晶體MN1不被完全關閉，並且使數據節點VD的電壓維持不超過一特定的電壓，如此而增加感測速度。與先前所述的傳統技術不同，此一補償電流Ioffset是獨立地控制傳輸電晶體MN1，而與存儲參考單元或參考電流無關，因此不受其他因素的影響，並且，補償電流Ioffset是由電晶體MN4尺寸及其柵極偏壓決定，對於電路設計者而言，此一特性可單獨地被選定。
使用一對電流鏡參考補償電流Ioffset以產生漏電流供應給感測節點VZ，此對電流鏡包括一主電流鏡(master current mirror)及一從電流鏡(slavecurrent mirror)。主電流鏡由電晶體MN3及MN5構成，二者的柵極彼此連接，並連接電晶體MN3的漏極，二者的源極接地。主電流鏡的輸入端，也即電晶體MN3的漏極，連接電晶體MN4的源極，以接收補償電流Ioffset。由於主電流鏡的鏡射的緣故，電晶體MN5導通一電流Iml，補償電流Ioffset對鏡射電流Iml比是由電晶體MN3及MN5的大小比決定，在此實施例中，其值約為1比1至3比4。另一方面，從電流鏡由電晶體MP3及MP2構成，二者的源極連接電源電壓VDD，二者的柵極彼此連接，並連接電晶體MP3的漏極，電晶體MP2的漏極則連接感測節點VZ。主電流鏡及從電流鏡之間插入一電晶體MN6，其與傳輸電晶體MN1共柵極，其源極連接主電流鏡的輸出端，即電晶體MN5的漏極，而其漏極則連接從電流鏡的輸入端，即電晶體MP3的漏極。當電晶體MN6開啟時，由於電晶體MN5導通的電流為Iml，因此電晶體MP3也導通電流Iml，由於從電流鏡的鏡射的緣故，在電晶體MP2鏡射一漏電流Ileakage供應給感測節點VZ，而電流Iml對鏡射的漏電流Ileakaget比是由電晶體MP3及MP2的大小比決定，在此實施例中，其值約為1比1。反之，一旦電晶體MN6關閉，主電流鏡及從電流鏡將失去上述的作用。漏電流Ileakage對感測節點VZ的持續充電能夠對抗電路中的雜訊，也即提升感測放大器28的穩定性，漏電流Ileakage的大小將決定感測節點VZ對抗雜訊的能力。由於主電流鏡及從電流鏡藉由電流Iml產生對應的關係，因此漏電流Ileakage與補償電流Ioffset之間具有一比例的關係，其比值是由電晶體MN3及MN5的大小比值與電晶體MP3及MP2的大小比值來決定，在此實施例中，補償電流Ioffset對漏電流Ileakage的比約為1比1至3比4。與先前所述的傳統技術不同，此感測放大器28利用漏電流Ileakage來增加穩定性，並且該漏電流Ileakage是從補償電流Ioffset鏡射所生，因此漏電流Ileakage的大小與補償電流Ioffset的大小具有一定的比例關係，能夠提供最適合實際電路的條件，不受其他因素，例如製造過程的影響。
數據節點VD另外連接一放電電流裝置，也即電晶體MN2，其源極連接主電流鏡的輸入端，也即電晶體MN3的漏極，其柵極則連接預充電信號PRE。當電晶體MN2被信號PRE開啟時，其導通一放電電流Idischarge，其大小與漏電流Ileakage相當，以抵消彼此。
當感測低態，也即導通的存儲單元，在數據線DL上有一單元電流Icell從數據節點VD朝向被選擇的存儲單元流動，此時數據節點VD被電流Icell放電，因而在傳輸電晶體MN1上引起一感測電流Isense，進而在感測節點VZ上產生相對的低電壓。相反地，當感測高態，也即非導通的存儲單元，則從數據節點VD流向存儲單元的電流Icell為零，此時感測節點VZ將維持在一相對的高電壓，此時即使存儲單元或數據線DL殘存少量雜訊電流，電晶體MP2將會提供一漏電流Ileakage以抵消其影響，如此可提高感測放大器的穩定度及抗雜訊能力。
當數據節點VD被充電時，由於補償電流Ioffset的存在，使得數據節點VD不致被過度充電，因此，數據節點VD上的電壓將被維持在一特定的電壓以下，即電晶體MN4的漏極-源極壓差VDS與電晶體MN3的柵極-源極壓差VGS的總和，約為1.0伏特，如此，在下一個讀取周期中的感測速度將不會被減慢。即使在數據線DL上沒有電流流通，補償電流Ioffset依然維持傳輸電晶體MN1不被完全關閉，在下一個讀取周期中，將因為傳輸電晶體MN1的較快開啟速度而提升感測速度。
在一感測周期內，如圖9所示，在其預充電期間，充電電流裝置的電晶體MP1被信號PREB開啟，導通一充電電流Icharge，對感測節點VZ及數據節點VD充電，而放電電流裝置的電晶體MN2被信號PRE開啟，導通一放電電流Idischarge，對數據節點VD放電，以防止充電電流Icharge瞬間將數據節點VD過度充電。在預充電期間過後，數據節點VD，也即數據線DL上的電壓逐漸下降，當其降低至一定電壓後，或非門X1產生的控制信號VX將上升，使感測節點VZ的電壓迅速下降，因而產生數據信號OUT。
權利要求
1.一種增進感測放大器速度及穩定性的電路，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節點，該輸入端耦合一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一數據信號，其特徵在於該電路包括第一電流鏡，含有第一及第二分支，以從該第一分支鏡射一中介電流在該第二分支，該第一分支與該數據節點之間插入一補償電流裝置，受控於第一控制信號而導通一補償電流；第二電流鏡，含有第三及第四分支，該第四分支耦合該感測節點，該第三分支適應該中介電流而鏡射一漏電流在該第四分支；以及一充電電流裝置耦合該感測節點，並受控於第二控制信號的反相輸入而導通一充電電流。
2.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第一控制信號是電源電壓。
3.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第一電流鏡具有一鏡射比為1比1至3比4。
4.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第二電流鏡具有一鏡射比為1比1。
5.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該補償電流對該漏電流比為1比1至3比4。
6.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於更包括一放電電流裝置插入該數據節點與該第一電流鏡的第一分支之間，並受控於第三控制信號而導通一放電電流。
7.根據權利要求6所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第三控制信號為該第二控制信號的互補。
8.根據權利要求6所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該充電電流對該放電電流比為5比1至10比1。
9.根據權利要求1所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於更包括一中介電晶體與該傳輸電晶體共柵極，且其源極與漏極分別連接該第一電流鏡的第二分支與該第二電流鏡的第三分支。
10.一種增進感測放大器速度及穩定性的電路，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一源極與一漏極，該漏極作為一感測節點，該源極作為一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一存儲信號，其特徵在於該電路包括第一電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數據節點，該柵極連接一偏壓信號；第二及第三電晶體組成的第一電流鏡，該第二及第三電晶體各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個源極接地，該兩個柵極彼此連接，該第二電晶體的漏極連接其柵極以及該第一電晶體的源極；第四電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接該第三電晶體的漏極，該柵極連接該傳輸電晶體的柵極；第五及第六電晶體組成的第二電流鏡，該第五及第六電晶體各具有一源極、一漏極與一柵極，該兩個源極連接一電源電壓，該兩個柵極彼此連接，該第五電晶體的漏極連接其柵極以及該第四電晶體的漏極，該第六電晶體的漏極連接該感測節點；以及第七電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該源極連接電源電壓，該漏極連接該感測節點，該柵極連接一預充電信號的互補信號的反相輸入。
11.根據權利要求10所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第二及第三電晶體的大小比為1比1至3比1。
12.根據權利要求10所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第五及第六電晶體的大小比為1比1。
13.根據權利要求10所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第二及第六電晶體導通的電流比為1比1至3比1。
14.根據權利要求10所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於更包括第八電晶體，具有一源極、一漏極與一柵極，該漏極連接該數據節點，該柵極連接該預充電信號。
15.根據權利要求14所述的增進感測放大器速度及穩定性的電路，其特徵在於其中該第七及第六電晶體導通的電流比為5比1至10比1。
16.一種增進感測放大器速度及穩定性的方法，該感測放大器含有一傳輸電晶體具有一輸入端及一輸出端，該輸出端耦合一感測節點，該輸入端耦合一數據節點以連接一數據線，感測一存儲單元的存儲狀態，而從該感測節點經一輸出級送出一數據信號，其特徵在於該方法包括下列步驟耦合一補償電流至該數據節點，以維持該傳輸電晶體不完全關閉及該數據節點不超過一定的電壓；鏡射該補償電流，以產生一漏電流耦合該感測節點；以及耦合一充電電流至該感測節點。
17.根據權利要求16所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於更包括施於一偏壓以操控該補償電流。
18.根據權利要求16所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於更包括施於一預充電信號的互補信號以操控該充電電流。
19.根據權利要求16所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於其中該補償電流對漏電流比為1比1至3比4。
20.根據權利要求16所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於更包括耦合一放電電流至該數據節點。
21.根據權利要求20所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於更包括施於一預充電信號以操控該放電電流。
22.根據權利要求20所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於其中該充電電流對放電電流比為5比1至10比1。
23.根據權利要求16所述的增進感測放大器速度及穩定性的方法，其特徵在於更包括耦合一中介電晶體與該傳輸電晶體共柵極，以開啟或關閉鏡射該補償電流及放電電流的路徑。
全文摘要
一種增進感測放大器進度及穩定性的電路及方法，包括一補償電流裝置及一放電電流裝置連接一傳輸電晶體一側的數據節點，傳輸電晶體另一側的感測節點連接一充電電流裝置及一漏電流裝置，漏電流是從補償電流鏡射。補償電流維持傳輸電晶體不完全關閉及數據節點不超過一定的電壓，因而提升感測放大器的速度。漏電流增進感測放大器的穩定性。從補償電流鏡射漏電流使感測放大器的操作及性能獲得良好的控制。
文檔編號G11C7/06GK1412776SQ0114155
公開日2003年4月23日 申請日期2001年10月15日 優先權日2001年10月15日
發明者李祥邦, 施義德 申請人:旺宏電子股份有限公司