灵敏放大器结构研究

【摘 要】闪存是断电后数据仍然存在的半导体存储器，广泛用于计算机、通信、汽车和消费类电子工业中。灵敏放大器是闪存中的关键电路，它的性能直接影响着闪存的读取速度。本文针对闪存中的灵敏放大器结构作简单陈述。

【关键词】非易失性存储器；闪存；灵敏放大器；半导体

中图分类号： TN722 文献标识码： A 文章编号： 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

随着集成电路和电子产品的快速发展，闪存的应用范围越来越广。灵敏放大器（Sense Amplifier，SA）作为闪存中最重要的外围电路之一决定着存储器的读取速度。

闪存是通过浮栅上存储电荷的机制来存储数据信息。SA通过感应明确定义条件下的存储单元的电流来读出存储器单元信息。在读基准条件下，一个编程的存储单元因为有高的阈值电压，所以抽取较小的电流；而擦除的存储单元因为有低的阈值电压，所以抽取较大的电流。SA通常采用存储单元电流和和基准电流比较的方法来探测存储单元信息的。基准电流可以是由参考单元电流通过电流镜镜像得到，也可以通过其它的基准电流源电路产生。根据读电路中是否使用参考单元作比较，SA可以分为单端结构[1]和差分结构[2]。

1 单端结构SA

单端结构的SA基于反相器的方法，最早用于可擦除可编程只读存储器（EPROM）来感应存储单元状态的基本感应方案。从这种结构可以得出由浮栅结构存储单元构成的闪存SA的电路原理。

这种单端结构灵敏放大器有三个严重缺点：

（1）充电电流IREF必须仔细设计，这样，擦除的存储单元能够拉低反相器的输出；同时IREF必须足够大，以在很少的时间内拉高反相器的输出，进而尽可能地缩减存取时间。

（2）在低的VDD下，存储单元产生较小的电流，而擦除的存储单元必须产生比负载多的电流，因此该结构有着有限的操作电压范围。

（3）由于在高电源电压下编程的存储单元开始导通电流，因此单端结构灵敏放大器有着有限的高电源电压VDD。

2 差分结构SA

差分结构的方法就是通过比较存储单元和参考单元的电流来探测存储单元的状态。在差分结构中，如果负载晶体管的传导性有变化，这个影响是共模的，因此删除了对负载的依赖性。根据两个电流比较的方式，差分结构灵敏放大器分为电压模式SA和电流模式SA。

2.1 电压模式的差分结构SA

电压模式差分结构灵敏放大器是基于电流转换成电压以后的比较。典型的差分结构的灵敏放大器是感应结点在共源共栅晶体管漏端的差分结构灵敏放大器，该结构包括：位线电压基准电路；电流电压转换器；差分到单端转换电路。位线电压基准电路由反相器和共源共栅晶体管构成，负责存储单元所在位线的电压预充和基准功能。同样，位线电压基准电路由反相器和共源共栅晶体管构成负责参考单元所在位线的电压预充和基准功能。存储单元分支端电流电压转换器由二级管连接的PMOS晶体管构成，负责把存储单元电流转换成电压；同样，参考单元分支端电流电压转换器由二极管连接的PMOS晶体管构成负责把参考单元电流转换成电压。输出电路由差分电压放大器构成负责把由电流电压转换器和转换的电压和翻译成数字形式。通常的不对称方案是减小参考单元分支的负载，这样不仅达到区分存储单元信息的目的，而且增加了预充阶段的预充电流，进而缩短读取时间。

为了减少SA的延迟，一种基于锁存型放大器的电压模式差分结构灵敏放大器被提出。锁存型放大器因其增益高速度快，通常被应用到速度要求高的领域中。锁存型放大器采用一对交叉耦合的CMOS反相器作为一级灵敏放大单元，感应结点输入和输出合二为一。但锁存型放大器的高灵敏度特性需要有精确的时序与之相匹配，故常用在同步闪存或高性能的嵌入式闪存之中。另外，该结构使用同等技术，减少了感应结点电容的充放电时间，从而也加快了读取速度。

为了降低所需的最低工作电压，一种直接感应位线电压的电压模式差分结构灵敏放大器被提出。这种结构去除了二极管连接的MOS管的使用，感应结点从共栅晶体管的漏端移到它们的源端，直接感应位线电压变化，这样，使需要的最低工作电压减少一个阈值电压值。输出级动态放大器使用两级的运算放大器，其放大因子与上述两个电压模式结构中的输出放大级一样大。

2.2 电流模式的差分结构SA

电流模式的差分结构SA是基于存储单元电流和一定比例的参考单元电流的直接比较，然后电流差产生的電压与反相器的开关电压相比较产生输出或者由差分输出级比较电流差产生的电压和基准电压产生输出信号。基准电压可由参考单元分支产生，也可以由其他方式产生。由于电流源和电流漏作为负载时有着高的输入阻抗，结果使感应结点有大的输出摆幅，这样不仅缩减了感应时间，还提高了感应灵敏度。endprint

典型结构是基于电流镜的电流模式差分结构SA，该结构缩减了电路功耗和器件间的失配。在该结构里，参考单元电流经过电流镜按比例镜像到差分结点，并对该结点电容充电，而存储单元电流不需电流镜抽取，直接对差分结点电容放电，然后形成的差分结点电压与基准电压由差分比较器比较输出。这种结构在一定的电压下能够很好的工作，但是由于参考单元分支上二极管连接的MOS管的使用，使得该结构最低工作电压为1.4V。

2.3 低压电流模式SA

前述SA的参考单元所在分支电路上的构成电流镜的MOS管由于使用二极管连接，使灵敏放大器电路不适合在低压下操作。一种灵敏放大器结构[3]采用栅漏分离的电流镜，使得参考单元分支上构成电流镜的MOS管的漏源电压不包含阈值电压，从而缩减了灵敏放大器的最低操作电源电压。

在基于柵漏分离MOS管电流镜的电流模式SA结构中。NMOS管的源极和栅极分别与PMOS管的栅极和漏极相连接，这样使PMOS管工作在饱和区，从而使得两个负载管形成电流镜，以把参考单元电流的一部分电流镜像到差分结点与存储单元电流比较。形成的电压差于基准电压通过动态比较器进行比较输出，产生输出信号。

该SA结构相比较传统结构有很多优点，首先，它能工作在1V的低压，并且功耗较小；其次，与传统的灵敏放大器结构相比较，它有较短的读取时间。

3 结论

基于上述灵敏放大器结构研究，电流模式的灵敏放大器相比较电压模式结构的灵敏放大器有着不同的工作方式，而且前者有更快的读取速度和更高的读取精度。随着闪存的多值技术和低压工作需求的发展，将会对灵敏放大器提出更高的要求。

【参考文献】

[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]郑日，李斌，黄裕泉.一种快速、低压的电流灵敏放大器的设计[J].微电子学与计算机，2006，Vol.23（6）：130-133.

[3]郭家荣，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