基于EEPROM單元的陣列式靈敏放大器的設計

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結構，雖然該結構會使版圖的面積增大，芯片的成本增加；但在它處于低功耗模式時，可有效的感應位線上更小的充電電流。并且在沒有其它功耗增加的基礎上，性能卻得到了提高。并且它的設計簡單，在具體的工藝過程中很容易實現。

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

1介紹

非揮發性存儲器EEPROM由于在電源消失后，存儲后的數據依然存在，且擦除簡單的特點。使得EEPROM廣泛用于可改寫易使用的數據存儲領域，如智能卡、非接觸卡、移動通訊和微控制器等^[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。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輸出擺幅來彌補存儲單元有限的扇出驅動能力。從而實現減小延時改善性能的要求^[2]。但是，隨著技術的不斷改進，靈敏放大器的高功耗靜態電流Icc要求越來越少。而且，它低功耗的電流設計目標也要求實現成倍的減少。若采用傳統的增強型感應器件則無法感應出如此小的位線充電電流，在這里如果增加一個already-on(native)器件，將會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，它有以下幾個特性^[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）它的穩態電壓（閾值電壓V_t）與其通道長度幾乎是線形關系，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）  通過負電壓產生電路內建到晶片上，此負電壓可以讓元件關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）為了實現低功耗的要求，通常會根據器件所處理的任務強度不同而實現不同的功耗模式，以達到降低總功耗。所以會根據控制信號的不同，通過電壓轉換器采用多電壓模式，從而實現低功耗和高功耗兩種狀態。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是來自EEPROM陣列的位線，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的參考電壓。

電路的工作原理如下：當位線上的所有單元處于非工作狀態時，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，XMN2導通，將把節點H2下拉并且驅動輸出P到V_CC。當在位線上的單元處于工作狀態時，DL和SL被拉至足夠相近，XMN2關斷，使得節點H2上拉并且驅動輸出P到GND。由于在每個位線上可以提供多于100的EEPROM單元，這使得在位線上產生了巨大的電容。假定一個EEPROM單元處于特定狀態時，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、接地或者接測試時所給的電壓等狀態。在此某一狀態時，處于高功耗時將有一個最佳的參考電壓V_HPREE，這個最佳值將輸出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 靈敏放大器的延時與V_HPREE的關系曲線圖

2.4改進后的電路

為了感應更小的充電電流，本文在已經存在的電路上做了稍微的改進，即通過增加一個already-on(native)元件XMN2LP和一個開關元件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改進的陣列式靈敏放大器的邏輯圖設計^[4]。

XMN2用來感應處于高功耗模式的位線狀態，如果在低功耗模式時依然使用同樣的器件，則會使得靈敏放大器NOR門的轉換速度變慢。如圖四的曲線a所示；若采用改進的結構，即通過使用already-on(native)元件XMN2LP來感應低功耗模式時的位線狀態，則會明顯使得靈敏放大器NOR門的轉換速度變快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)元件作為位線感應元件所顯示的速度上的改進。

                            V_LPREE(伏特)

圖四 靈敏放大器的延時與V_LPREE的關系曲線圖

產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，當使用增強型器件時，要使靈敏放大器進入充電狀態，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，可使該元件激活，所以在靈敏放大器開關之前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導通的速度更快，延時更小，因此使得靈敏放大器的性能得到改進。由圖四可知，當在2.4V時，already-on(native)元件所提供的延時要比增強型元件少2.5ns。所以，這種改進型的靈敏放大器在功耗沒有任何增加的情況下實現了性能的改進。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，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)元件關斷，靈敏放大器就不會進行合適的操作。因此，在整個高功耗模式時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整個電路的優劣。本文通過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)元件進行電路改進，實驗證明，該結構確實可以改善電路的性能。因此，本文作者的創新點是提出了使用already-on(native)元件所構成的陣列式靈敏放大器的改進結構，雖然該結構會使版圖的面積增大，芯片的成本增加；但在它處于低功耗模式時，可有效的感應位線上更小的充電電流；并且在沒有其它功耗增加的基礎上，性能得到了提高；并且它的設計簡單，在具體的工藝過程中很容易實現。