靈敏放大器結構研究

【摘 要】閃存是斷電后數據仍然存在的半導體存儲器，廣泛用于計算機、通信、汽車和消費類電子工業中。靈敏放大器是閃存中的關鍵電路，它的性能直接影響著閃存的讀取速度。本文針對閃存中的靈敏放大器結構作簡單陳述。

【關鍵詞】非易失性存儲器；閃存；靈敏放大器；半導體

中圖分類號： TN722 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0071-002

【Abstract】Flash is a semiconductor memory with data still present after power-off. It is widely used in computer， communications， automotive and consumer electronics industries. Sensitive amplifier is the key circuit in flash memory， its performance directly affects the flash memory read speed. This article makes a simple statement about the structure of the sense amplifier in flash memory.

【Key words】Non-volatile memory；Flash memory；Sensitive amplifier；Semiconductor

0 引言

隨著集成電路和電子產品的快速發展，閃存的應用范圍越來越廣。靈敏放大器（Sense Amplifier，SA）作為閃存中最重要的外圍電路之一決定著存儲器的讀取速度。

閃存是通過浮柵上存儲電荷的機制來存儲數據信息。SA通過感應明確定義條件下的存儲單元的電流來讀出存儲器單元信息。在讀基準條件下，一個編程的存儲單元因為有高的閾值電壓，所以抽取較小的電流；而擦除的存儲單元因為有低的閾值電壓，所以抽取較大的電流。SA通常采用存儲單元電流和和基準電流比較的方法來探測存儲單元信息的。基準電流可以是由參考單元電流通過電流鏡鏡像得到，也可以通過其它的基準電流源電路產生。根據讀電路中是否使用參考單元作比較，SA可以分為單端結構[1]和差分結構[2]。

1 單端結構SA

單端結構的SA基于反相器的方法，最早用于可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）來感應存儲單元狀態的基本感應方案。從這種結構可以得出由浮柵結構存儲單元構成的閃存SA的電路原理。

這種單端結構靈敏放大器有三個嚴重缺點：

（1）充電電流IREF必須仔細設計，這樣，擦除的存儲單元能夠拉低反相器的輸出；同時IREF必須足夠大，以在很少的時間內拉高反相器的輸出，進而盡可能地縮減存取時間。

（2）在低的VDD下，存儲單元產生較小的電流，而擦除的存儲單元必須產生比負載多的電流，因此該結構有著有限的操作電壓范圍。

（3）由于在高電源電壓下編程的存儲單元開始導通電流，因此單端結構靈敏放大器有著有限的高電源電壓VDD。

2 差分結構SA

差分結構的方法就是通過比較存儲單元和參考單元的電流來探測存儲單元的狀態。在差分結構中，如果負載晶體管的傳導性有變化，這個影響是共模的，因此刪除了對負載的依賴性。根據兩個電流比較的方式，差分結構靈敏放大器分為電壓模式SA和電流模式SA。

2.1 電壓模式的差分結構SA

電壓模式差分結構靈敏放大器是基于電流轉換成電壓以后的比較。典型的差分結構的靈敏放大器是感應結點在共源共柵晶體管漏端的差分結構靈敏放大器，該結構包括：位線電壓基準電路；電流電壓轉換器；差分到單端轉換電路。位線電壓基準電路由反相器和共源共柵晶體管構成，負責存儲單元所在位線的電壓預充和基準功能。同樣，位線電壓基準電路由反相器和共源共柵晶體管構成負責參考單元所在位線的電壓預充和基準功能。存儲單元分支端電流電壓轉換器由二級管連接的PMOS晶體管構成，負責把存儲單元電流轉換成電壓；同樣，參考單元分支端電流電壓轉換器由二極管連接的PMOS晶體管構成負責把參考單元電流轉換成電壓。輸出電路由差分電壓放大器構成負責把由電流電壓轉換器和轉換的電壓和翻譯成數字形式。通常的不對稱方案是減小參考單元分支的負載，這樣不僅達到區分存儲單元信息的目的，而且增加了預充階段的預充電流，進而縮短讀取時間。

為了減少SA的延遲，一種基于鎖存型放大器的電壓模式差分結構靈敏放大器被提出。鎖存型放大器因其增益高速度快，通常被應用到速度要求高的領域中。鎖存型放大器采用一對交叉耦合的CMOS反相器作為一級靈敏放大單元，感應結點輸入和輸出合二為一。但鎖存型放大器的高靈敏度特性需要有精確的時序與之相匹配，故常用在同步閃存或高性能的嵌入式閃存之中。另外，該結構使用同等技術，減少了感應結點電容的充放電時間，從而也加快了讀取速度。

為了降低所需的最低工作電壓，一種直接感應位線電壓的電壓模式差分結構靈敏放大器被提出。這種結構去除了二極管連接的MOS管的使用，感應結點從共柵晶體管的漏端移到它們的源端，直接感應位線電壓變化，這樣，使需要的最低工作電壓減少一個閾值電壓值。輸出級動態放大器使用兩級的運算放大器，其放大因子與上述兩個電壓模式結構中的輸出放大級一樣大。

2.2 電流模式的差分結構SA

電流模式的差分結構SA是基于存儲單元電流和一定比例的參考單元電流的直接比較，然后電流差產生的電壓與反相器的開關電壓相比較產生輸出或者由差分輸出級比較電流差產生的電壓和基準電壓產生輸出信號。基準電壓可由參考單元分支產生，也可以由其他方式產生。由于電流源和電流漏作為負載時有著高的輸入阻抗，結果使感應結點有大的輸出擺幅，這樣不僅縮減了感應時間，還提高了感應靈敏度。endprint

典型結構是基于電流鏡的電流模式差分結構SA，該結構縮減了電路功耗和器件間的失配。在該結構里，參考單元電流經過電流鏡按比例鏡像到差分結點，并對該結點電容充電，而存儲單元電流不需電流鏡抽取，直接對差分結點電容放電，然后形成的差分結點電壓與基準電壓由差分比較器比較輸出。這種結構在一定的電壓下能夠很好的工作，但是由于參考單元分支上二極管連接的MOS管的使用，使得該結構最低工作電壓為1.4V。

2.3 低壓電流模式SA

前述SA的參考單元所在分支電路上的構成電流鏡的MOS管由于使用二極管連接，使靈敏放大器電路不適合在低壓下操作。一種靈敏放大器結構[3]采用柵漏分離的電流鏡，使得參考單元分支上構成電流鏡的MOS管的漏源電壓不包含閾值電壓，從而縮減了靈敏放大器的最低操作電源電壓。

在基于柵漏分離MOS管電流鏡的電流模式SA結構中。NMOS管的源極和柵極分別與PMOS管的柵極和漏極相連接，這樣使PMOS管工作在飽和區，從而使得兩個負載管形成電流鏡，以把參考單元電流的一部分電流鏡像到差分結點與存儲單元電流比較。形成的電壓差于基準電壓通過動態比較器進行比較輸出，產生輸出信號。

該SA結構相比較傳統結構有很多優點，首先，它能工作在1V的低壓，并且功耗較小；其次，與傳統的靈敏放大器結構相比較，它有較短的讀取時間。

3 結論

基于上述靈敏放大器結構研究，電流模式的靈敏放大器相比較電壓模式結構的靈敏放大器有著不同的工作方式，而且前者有更快的讀取速度和更高的讀取精度。隨著閃存的多值技術和低壓工作需求的發展，將會對靈敏放大器提出更高的要求。

【參考文獻】

[1]Conte A，Lo Giudice G，Palumbo G，Signorello A.A 1.35V sense amplifier for non volatile memories based on current mode approach[C].Solid-State Circuits Conference，2004.ESSCIRC 2004.Proceeding of the 30th European，2004：471-474.

[2]鄭日，李斌，黃裕泉.一種快速、低壓的電流靈敏放大器的設計[J].微電子學與計算機，2006，Vol.23（6）：130-133.

[3]郭家榮，冉峰.A new low-voltage and high-speed sense amplifier for flash memory[J].Journal of Semiconductor，2011，32（12）：125003-1-5.endprint