温度自适应性DRAM刷新时钟电路

0 引 言
    动态存储器中的数据以电荷形式存储在电容中，因为MOS晶体管漏电，电荷会逐渐漏失，最终造成数据丢失。所以，动态存储器就需要不断对数据进行刷新，补充电荷。由于漏电流的大小受温度影响较大，导致电荷在存储器电容中的保持时间随着温度改变而改变。传统的刷新电路产生刷新信号的时钟周期是预先设计好的，固定不变，无法根据温度的变化自己调节周期，因此，传统的刷新电路设计的刷新时钟是基于高温的情况，刷新频率很快，这样就使得常温的时候刷新比较频繁，消耗大量功耗。
    本文提出一种具有温度自适应的刷新时钟电路，其频率随着温度上升而上升。电路由基本的MOS管构成，利用了Diodes方式(二极管方式)连接的MOS管电流随温度变化的特点。电路不仅具有温度特性，降低了功耗，而且占面积小，与一般的CMOS工艺完全兼容，不需要工艺上的特殊处理。

1 电路结构
    图1给出刷新时钟电路示意图。电路左边是一条反相器反馈链，反相器链输出和使能信号EN共同控制一个两输入端的与非门，与非门的输出连接上拉管MP1的栅极，下拉管MN1栅极和刷新电路的时钟输出；反相器链输入端连接的是电容C1，而且反相器链的输入端的第一个反相器是施密特反相器。电路的右边是时钟调整单元。时钟调整单元主要由一条充放电的通路构成，通路由3个基本的MOS管组成，其中上拉管MP1受与非门输出控制，用于对电容C1进行充电；下拉管MN0也受与非门输出控制，其状态正好与MP1管相反，用于开启放电通路，对电容C1进行放电；放电管MP0主要用于对电容C1放电，以Diodes方式连接。

2 电路工作原理
    电路上电后，EN信号使能，电容C1没有储存电荷，Vcap点电压为低电压“0”，通过反相器链的反馈作用，N0点电压是低电压“0”，上拉管MP1开启，下拉管MN1关闭，电源对电容C1充电，MP1的尺寸比较大，所以充电速度比较快，电容C1迅速被充到高电平。当电容C1电压超过了施密特反相器的上翻转点(假设为VM+，VM+>Vdd／2)，反相器链开始转变状态，通过反相器链的传播，在N0点处，电压变为高电平“1”，迫使上拉管MP1关闭，下拉管MN1开启，电容C1停止充电，开始通过放电通路泄放电荷，电容电压Vcap开始下降。当电容电压低于施密特反相器的下翻转点(假设为VM-，VM-<Vdd／2)，反相器状态改变，经过反相器链，N0点电压处重新变为低电平“0”，上拉管MP1开启，下拉管MN1关闭，电容又重新开始充电过程。在反复的充放电过程中，电路在OUT点产生了振荡时钟。

    对于MOS电容C1，可以近似认为是平板电容：
    C*U=Q
式中：C为电容大小，U为电容电压(即Vcap点电压)。随着放电通路开启，电容C1中的电荷Q逐渐漏失，电容的大小C不变，电容电压U开始下降。同时，对于放电通路，MP0管以DIODES方式连接，MP0一直处于饱和状态，对于饱和电流公式：

   
式中：Vth是阈值电压，Vgs是栅源电压。Ugs对应于电路上就是MP0管两端电压，又由于MN1是下拉管，尺寸大，所以放电通路开启后，MP1管的栅端和漏端电压基本等于地电压，而且MP1管的源端又连接在电容上，所以，可以认为Vgs就是电容电压。因为电容电压随着漏电下降，即Vgs随漏电下降。所以根据饱和电流公式，电流Ids呈平方关系减小。随着Ids减小，电容电荷漏失的速度变慢，电容电压下降的速度也随之变慢。
    图2说明的是以Diodes方式连接的晶体管，不同温度下的电流和栅源电压之间的关系。当栅源电压比较高的时候，高温时的饱和漏电流比低温时的电流要低；相反地，当栅源电压下降到阈值电压附近，高温时的饱和漏电流就比低温时的电流要高。利用低栅源电压的电流的温度特性，高温时，饱和漏电流Ids比低温时大，电容C1的电压下降得快，更快到达施密特反相器翻转点VM-，电路振荡时钟周期就会比较短，相应地，其频率就更快，就能够体现出时钟温度的特性。

3 仿真结果分析
    图3(a)是电容C1的电压U在不同温度下随时间的变化曲线。电路开始工作后，在每个周期开始的阶段，电容电压C1处于高电平状态，此时，通过MP0管的饱和电流Ids比较大，电容电压下降得很快，在较短的时间内就下降到了接近开启电压附近，即MP0管进入低栅源电压状态，这个变化过程对应于图上的曲线较陡的部分。当MP0进入低栅源电压状态，饱和电流，Ids值开始下降，电压下降逐渐呈现越来越缓慢的趋势，此时的变化过程对应于图上曲线较平缓的部分。根据图2的分析，以Diodes方式连接MOS管的电流大小的温度特性在高低栅源电压区正好相反，但是，从图3电容C1的电压变化曲线显然得出：时钟的周期取决于平缓的曲线部分。高栅源电压部分时间太短，即使这个阶段高温时的电流比低温时的电流小，也可以忽略这部分时间的作用。所以低栅源电压的部分温度特性才最终决定了电路的温度特性。

    对比分析不同温度下电容C1充放电的电压变化曲线：温度越高，充放电频率越快。图3(b)是电路时钟输出点的电压的变化，对应于图3(a)的曲线，输出时钟受MP0管的温度特性影响，高温时的时钟频率比低温时要快，而且输出的时钟是一个占空比很小的脉冲，脉冲的宽度取决于反相器链的反馈时间。
    新时钟电路消耗的功耗非常低，图4(a)是刷新电路自身消耗的功耗，整个电路的平均工作电流都维持在10μA以下，比起传统的刷新电路自身消耗的功耗相差无几，甚至更低。图4(b)是电路的刷新频率随温度变化的趋势，室温(25℃)时的频率比起高温(125℃)时降低将近50％。所以，在存储器的其他外围电路的功耗相等的情况下，存储器阵列室温时用于刷新的功耗，与高温相比，就相应地减少了50％，尤其是在存储器长时间处于standby状态(不进行读写，保持存储器原有的数据)时，将节省一半的功耗。

4 结 语
    经过仿真测试表明，新的刷新时钟电路的输出频率具有优越的温度特性，而且新电路的设计只采用了MOS晶体管器件，没有用到电阻和双极晶体管等大面积器件，因此整个电路的面积小。此外，电路自身消耗的功耗非常小。所以，与传统的频率不变的刷新电路相比较，新电路具有性能好、功耗低、成本低的优势。