基于EEPROM单元的阵列式灵敏放大器的设计

摘要：本文通过使用already-on(native)元件所提出的阵列式灵敏放大器的改进结构，虽然该结构会使版图的面积增大，芯片的成本增加；但在它处于低功耗模式时，可有效的感应位线上更小的充电电流。并且在没有其它功耗增加的基础上，性能却得到了提高。并且它的设计简单，在具体的工艺过程中很容易实现。
关键词：EEPROM单元；阵列式灵敏放大器；Already-on(native)元件

1介绍

非挥发性存储器EEPROM由于在电源消失后，存储后的数据依然存在，且擦除简单的特点。使得EEPROM广泛用于可改写易使用的数据存储领域，如智能卡、非接触卡、移动通讯和微控制器等^[1][2]。

灵敏放大器是EEPROM中最重要的电路之一，它负责将存储器件中存储的内容读出来。对灵敏放大器最基本的要求就是读取数据准确；不仅如此，还要求加快读取的速度，并且减少它的功耗。下文将介绍一种性能提高而功耗不增加的改进型阵列灵敏放大器的设计。

2.1设计思想

灵敏放大器在可编程逻辑器件的功耗性和可靠性方面起着举足轻重的作用。它可通过加速位线过渡过程，也可通过检测位线上很小的过渡变化并把它放大到较大的信号输出摆幅来弥补存储单元有限的扇出驱动能力。从而实现减小延时改善性能的要求^[2]。但是，随着技术的不断改进，灵敏放大器的高功耗静态电流Icc要求越来越少。而且，它低功耗的电流设计目标也要求实现成倍的减少。若采用传统的增强型感应器件则无法感应出如此小的位线充电电流，在这里如果增加一个already-on(native)器件，将会出现什么样的结果呢？

2.2Already-on(native)元件的结构及其特性

在本论文中所涉及到的Already-on(native)元件是一种MOS结构，它与一般MOS结构不同的是元件本身不在Nwell中也不在Pwell中，它的MOS结构直接制作在P衬底中，其元件结构如图一所示。根据这种结构特点，它有以下几个特性^[3]：

图一  一般NMOS元件、PMOS元件及在此所提出的already-on(native)元件的剖面结构图

1）它的稳态电压（阈值电压V_t）与其通道长度几乎是线形关系，这使得already-on(native)元件的设计应用更加容易的被精确控制，并使得它的阈值电压更低。

2）  通过负电压产生电路内建到晶片上，此负电压可以让元件关闭到比一般元件更低的漏     电流，这样IC的功耗可以达到更低。

3）  这种already-on(native)元件的制作不须额外的成本，且与现有的工艺过程完全兼容。

2.3阵列式灵敏放大器的工作原理

目前，大多数可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）为了实现低功耗的要求，通常会根据器件所处理的任务强度不同而实现不同的功耗模式，以达到降低总功耗。所以会根据控制信号的不同，通过电压转换器采用多电压模式，从而实现低功耗和高功耗两种状态。本文所设计的阵列式灵敏放大器就有此功耗模式的要求。

图二是该阵列灵敏放大器的逻辑图，DL和SL是来自EEPROM阵列的位线，P是输出，LP是低功耗控制信号，V_HPREE和V_LPREE是低功耗和高功耗时的参考电压。

图二 阵列式灵敏放大器的逻辑图

 电路的工作原理如下：当位线上的所有单元处于非工作状态时，即把DL和SL连接起来，DL通过器件XMNH2和XMP1（在高功耗模式）被上拉到V_HPREE ，而SL通过XMN3器件被下拉至GND。此时，XMN2导通，将把节点H2下拉并且驱动输出P到V_CC。当在位线上的单元处于工作状态时，DL和SL被拉至足够相近，XMN2关断，使得节点H2上拉并且驱动输出P到GND。由于在每个位线上可以提供多于100的EEPROM单元，这使得在位线上产生了巨大的电容。假定一个EEPROM单元处于特定状态时，如在阵列中，所有单元的S端连接在一起，在其电平转换电路控制下，根据操作的不同，呈浮空、接地或者接测试时所给的电压等状态。在此某一状态时，处于高功耗时将有一个最佳的参考电压V_HPREE，这个最佳值将输出P的转换速度平衡到V_CC或者GND。

如图三所示，图中的COL速度表示EEPROM单元导通，而NOR速度表示EEPROM单元关断。该图表明，两者转换所达到最佳性能的参考电压是在2.7V左右。

                         V_HPREE(伏特)

图三 灵敏放大器的延时与V_HPREE的关系曲线图

2.4改进后的电路

为了感应更小的充电电流，本文在已经存在的电路上做了稍微的改进，即通过增加一个already-on(native)元件XMN2LP和一个开关元件XMNLP，如图二的右下角部分所示，它们将和XMN2并列在一起组成整个改进的阵列式灵敏放大器的逻辑图设计^[4]。

XMN2用来感应处于高功耗模式的位线状态，如果在低功耗模式时依然使用同样的器件，则会使得灵敏放大器NOR门的转换速度变慢。如图四的曲线a所示；若采用改进的结构，即通过使用already-on(native)元件XMN2LP来感应低功耗模式时的位线状态，则会明显使得灵敏放大器NOR门的转换速度变快2.5ns, 如图四的曲线b所示。因此该图明显的表明了使用already-on(native)元件作为位线感应元件所显示的速度上的改进。

                            V_LPREE(伏特)

图四 灵敏放大器的延时与V_LPREE的关系曲线图

产生这一结果的原因就是由于使用了already-on(native)元件，正如前面所讲到的一样，该元件具有最快的导通速度和最低的阈值电压，它的阈值V_t=0.3V, 明显低于增强型器件（V_t=0.7V）。因此，在低电压模式时，当使用增强型器件时，要使灵敏放大器进入充电状态，则要保证XMN2导通。然而，由于XMN2的阈值V_t=0.7V，所以在XMN2导通之前DL和SL将通过0.7V而分离。

但是，在使用了already-on(native)元件XMN2LP（V_t=0.3V）后，当LP=V_CC时，可使该元件激活，所以在灵敏放大器开关之前DL和SL通过0.3V而分离。所以说它的分离电压更小，从而使其在低功耗模式时导通的速度更快，延时更小，因此使得灵敏放大器的性能得到改进。由图四可知，当在2.4V时，already-on(native)元件所提供的延时要比增强型元件少2.5ns。所以，这种改进型的灵敏放大器在功耗没有任何增加的情况下实现了性能的改进。当然这一结论仅仅是在低功耗模式下所获得的。

而在高功耗模式时，EEPROM阵列单元由于并不足够强到可以把DL和SL拉到0.3V，这也使得already-on(native)元件关断，灵敏放大器就不会进行合适的操作。因此，在整个高功耗模式时already-on(native)元件是失效的。

3结论

灵敏放大器作为存储器最重要的外围电路之一，它性能的好坏直接影响着整个电路的优劣。本文通过对它两种功耗模式的具体分析，针对低功耗模式采用already-on(native)元件进行电路改进，实验证明，该结构确实可以改善电路的性能。因此，本文作者的创新点是提出了使用already-on(native)元件所构成的阵列式灵敏放大器的改进结构，虽然该结构会使版图的面积增大，芯片的成本增加；但在它处于低功耗模式时，可有效的感应位线上更小的充电电流；并且在没有其它功耗增加的基础上，性能得到了提高；并且它的设计简单，在具体的工艺过程中很容易实现。

参考文献

[1]  Cappelletti P,Golla C,Olivo P,et al,Flash memories [M],Boston/ Dordrecht/London;Kluwer Academic Publishers,1999
[2]  郑春华，火灾报警与灭火系统中的信息非易失性存储技术，微计算机信息，2000年第一期
[3]  Jan M.Rabaey,Anantha Chandrakasan,Borivoge Nikolic, 周润德等译，数字集成电路——电路、系统与设计，电子工业出版社，2004
[4]  曾当贵，柯明道，互补式金属半导体电路在纳米制程下之静电放电防护方法，工研院系统晶片技术中心，2003
[5] DirkReese,EricChun,Sammy Cheung,”A6.9ns,560 Macrocell,In System Programmable,CMOS PLDwith3.3-5 Volt I/O Capablity”,IEEE Custom Intergrated Circuits Conference,1998,pp.256-268