面向静态随机存储器的灵敏放大器设计

温芝权 王昉 史顺达

苏州雄立科技有限公司 江苏 苏州 215000

引言

现如今，由于静态随机存储器（SRAM）具备低功耗、高速存储等优良特性，所以在各类电子产品中受到了越来越多技术人员的关注。SRAM的应用领域特别广泛，尤其是在仪器仪表、图像识别和声频信号处理等代表的高新技术装备中[1]。在目前应用领域中，SRAM的稳定性一直是人们关注的焦点。SRAM的基础架构是由存储单位阵列和外层集成电路组成，而存储单位阵列的结构相对稳定，通常由制造技术的技术水准决定，因此，目前的技术发展主要是通过改进外层集成电路的部分来提高SRAM的稳定性[2]。SRAM的外层电路中灵敏放大器是最为关键的组成部分，其抗干扰、可靠等特性的好坏将对整体SRAM的功能实现、反应速度以及耗电量等相关方面都产生了巨大的影响。

传统的灵敏放大器中所用的脉冲产生电路都是由串联的反相器所连接组成起来的，而产生出的高电平脉冲的持续时间又是依靠反相器的延迟时间，因此我们很难精确有效地控制脉冲持续时间，一旦这个高电平的脉冲持续时间太长，则会导致大幅度减慢SRAM的有效读取和写入[3]；一旦高电平的脉冲持续时间太过短，则也会导致灵敏放大器将无法精准有效读取和写入。

在对当前广泛使用的常规的锁存器型灵敏放大器体系结构特点和缺陷进行了深入的研究之后，给出了一种改进方案，使锁存器型灵敏放大器内部的脉冲产生电路产生脉冲宽度可随着锁存器型灵敏放大器的工作状态而自行调节的控制脉冲。

1 新型灵敏放大器设计

本文主要设计了一种由两组 PMOS管与 NMOS管串联的串联支路并联连接构成的新型锁存型放大电路，该锁存型放大电路系统中的灵敏放大器可以实现让脉冲产生电路自动控制脉冲宽度的功能[4-5]。在这两组互相连接的串联支路系统中，PMOS管与NMOS管之间的两个公共点分别由其他两条传输管道连接到两条位线上，同时还使用了反相器和开关管分别将两条PMOS管和两条NMOS管之间的公共点固定到了全局锁存电路的两条锁存线上，并且串联分支的末端通过开关管连接地端。这个脉冲产生电路同时包含一个脉冲产生子电路和另外一个脉冲结束判决电路，将脉冲结束判决电路的两个输入端分别与两条锁存位线进行连接，其两个脉冲输出端也分别与脉冲产生子电路的输入端相连，用以控制脉冲产生子电路的工作状态，与此同时，该脉冲结束判决电路的脉冲输出端与锁存型放大电路中的开关管的控制端加以连接，实现对锁存型放大器电路系统的工作状况的监控；当检测到位线上的低电平时，这个脉冲结束判决系统就会自动产生一个以脉冲结束的3控制输出指令，从而中断锁存型放大电路的正常工作[6]。

以上所述的方法说明，脉冲产生电路可以通过使用一个脉冲产生子电路和一个脉冲结束判决电路来实现。脉冲结束判决电路可用来实现通过测量SRAM锁存器全局位线上的脉冲电压信号来实时判断当前SRAM中存储器的读/写转换工作是否都已经完成的效果。若在锁存器位线上所测得的电压都是低电平，输出一个低电平脉冲[7]，控制灵敏放大器停止工作。这种脉冲电路可以自动满足锁存型放大电路的工作要求，不会因为制造工艺或集成电路内部元件工作条件的变化而改变输出脉冲宽度，从而提高了灵敏放大器的安全性。

2 新型灵敏放大器实现

2.1 新型灵敏放大器电路结构

在新型灵敏放大器电路的结构图中，锁存放大电路主要由第一 PMOS管P1、第二 PMOS管P0、第一 NMOS管N1和第二NMOS管N0连接而成。脉冲产生电路主要由一个脉冲产生子电路和一个脉冲结束判决电路构成。脉冲结束的判决电路可分为第一与非门I37、第三反相器I38，还有一个RS触发器。脉冲产生子电路包含了第四反相器I7、第二与非门I4和第五反相器I3。图1是一种新型灵敏放大器电路的电路结构示意图，显示出了对锁存型放大电路的设计实现以及脉冲产生电路设计实现 。

图1 新型灵敏放大器的电路结构示意图

2.2 新型灵敏放大器工作过程

基于上述图1展示了锁存型放大电路和脉冲产生电路的具体实现方式，进而在这里详细地说明新型灵敏放大器具体的运行过程。当使能端SA_EN = Vdd时，反相器I7会产生一个有效的低电平电压，其中RS触发器会输出一个有效的高电平电压，接着开关管N3接通；与此同时，与非门I4输出高电平电压，反相器I3输出低电平电压，这样就使得开关管P3和开关管P4能够接通起来，这样才可以将位线BL和 BLN上的信号分别地传输至锁存型放大电路系统中的SO节点和SON节点上[8]。当BL和BLN位线上的差分电压达到足够高时，静态随机存储器内的控制电路就会使得使能端SA_EN为零。由反相器I7输出一个有效高电平电压，开关管N2接通，同时触发器RS保持上一个工作状态一直持续提供有效高电平电压。当开关N3接通时，进而使与非门输入I4输入的两个输入端都为有效高电平电压，输出端都为低电平电压[9]。反相器I3输出一个高电平脉冲信号，所以第二开关管P3和开关管P4被切断，这样就封闭了位线BL和SO节点间以及BLN位线和SON节点之间的通道。这时开关N2和开关N3被同时导通，锁存型放大电路系统开始工作，将小信号放大到逻辑电平，使GBL或GBLN位线被拉低到低电平电压。在检测到锁存位线 GBL或 GBLN接收到了下拉电平信号之后，脉冲结束判决电路才关闭电源关掉锁存型放大电路，这样就不会出现由于脉冲发生电路所生成的脉冲信号宽度不足而出现脉冲电平传递达不到锁存位线GBL或GBLN上或者脉冲电平无法被完全有效地直接地传递到锁存位线GBL或GBLN上的情况，这样就大大增加了灵敏放大器工作运行的可靠性。

3 仿真与验证

本文主要从灵敏放大器控制信号随着负载的变化情况和静态随机存储器输出端信号对常规的灵敏放大器和新型灵敏放大器进行对比。我们利用Cadence仿真软件对传统的灵敏放大器和改进的灵敏放大器进行仿真，仿真时工作电压设置为1.2V，温度为室温[10]。

在实际模拟中，如图2波形图所示，传统的灵敏放大器脉冲信号宽度无法根据锁存位线上的负载情况出现变化而接着发生改变，从而使应用传统灵敏放大器的静态随机存储器的输出端无法根据负载的改变而输出正确的逻辑电平。

图2 传统锁存器型灵敏放大器波形图

表1展示出了当采用传统的灵敏放大器时，静态随机存储器的输出信号随负载的改变情形。从表1中可得知，在使用传统的灵敏放大器负载大于6.00E-13后就开始出现失效，这就表明了使用了传统的灵敏型放大器SRAM的输出会出现失效。

表1 常规灵敏放大器的SRAM输出信号与负载情况表

新型灵敏放大器的波形图如图3所示， 脉冲宽度随着锁存电路中位线负载的变化而变化。这就确保了位线上的负载脉冲信号被正确放大，也就是说，位线上的逻辑电平是准确的。

图3 新型锁存器型灵敏放大器的波形图

表2是描述一种应用新型灵敏型放大器的静态随机存储器在输出端所能传输出来的输出信号及其和输入负载的信号间相互作用的情况表。该表中在gbl_load负载是在负荷为 3.00E-13F时，输出端输出信号的电压一直都是在1.2V，当锁存位线GBL上的负载为 1.00E-12F时，输出端所输出的信号一直都在完全有效的工作状态，而且其输出信号的输出电压都为1.2V，这表明采用新的灵敏放大器技术的静态随机存储器在不同的负载下仍然能够有效地工作。

表2 新型灵敏放大器的SRAM输出信号与负载间情况表

结果表明，新型灵敏放大器改善了常规灵敏放大器脉冲持续时间很难进行准确的控制的问题，能够使锁存器型灵敏放大器内部的脉冲产生电路产生脉冲宽度可随着锁存器型灵敏放大器的工作状态而自行调节的控制脉冲。

4 结束语

本文在常规的灵敏放大器的基础上，提出了一种改进的新型结构，使锁存灵敏放大器中的脉冲产生电路能够产生一种控制脉冲，其脉冲宽度可以随灵敏放大器的工作状态而自动调整，从而有效提高灵敏放大器的抗干扰、可靠性等方面的特性。灵敏放大器的研究对于新一代信息应用领域的装备有着关键性影响，随着复杂应用需求的不断提出所带来的诸多问题，后续越来越多的新型结构会被设计实现出来，而锁存器型灵敏放大器的发展也必将会对整个集成电路的发展起到不可替代的作用。