高速低功耗SRAM中灵敏放大器的设计.docx
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高速低功耗SRAM中灵敏放大器的设计
编号:
03063036
南阳师范学院2007届毕业生
毕业论文
题目:
高速低功耗SRAM中灵敏放大器的设计
完成人:
班级:
2003-03
学制:
4年
专业:
电子信息科学与技术
指导教师:
完成日期:
2007-3-31
摘要
(1)
Abstract(12)
高速低功耗SRAM中灵敏放大器的设计
******
指导老师:
***
摘要:
本文对比分析了运放型、交叉耦合型和锁存器型灵敏放大器三种不同的SRAM灵敏放大器的基本结构并通过仿真比较了它们的优缺点,在此基础上设计了读出放大时间在最坏情况下需0.5ns,静态维持功耗约为0.1mW的SRAM灵敏放大器。
关键词:
灵敏放大器;静态存储器;仿真;高速;CMOS
1引言
与单元位线通过转接栅相连的灵敏放大器是SRAM中的关键部件。
它对整个存储电路的性能有着极其重要的影响。
由于SRAM电路具有天生的差分特性,通常所用的灵敏放大器都采用差分输入的结构。
差分输入结构具有优良的抗噪声性能,这种结构能提供很好的共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)[1]。
典型的灵敏放大器的输出波形如图1所示。
图中输出曲线在放大起始阶段电压相等,在放大期间差模电压越来越大,此时灵敏放大器的放大MOS管工作在饱和区,放大器工作在线性放大区。
图1典型的灵敏放大器的放大曲线
SRAM中的灵敏放大器普遍采用差分式电压放大模式。
在这种模式下的放大器可分为运算放大型,交叉耦合型及锁存器型三种。
2灵敏放大器的设计
2.1运放型灵敏放大器结构
典型的运放型灵敏放大器的结构示意图如图2所示,其中BL和BLB为放大器的两个差分输入端,即对应于存储单元的两条位线BL与BLB,DATA与DATAB为放大器的两个输出端,分别对应于存储单元中所存储的数据和数据的反信号。
图2运放型灵敏放大器的基本结构
图中MOS管M1、M2、M3、M4与电流源ISS组成典型的运放结构,其中M1、M2组成基本的差分对管,M3、M4构成电流镜负载,ISS为尾电流源,为放大电路提供稳定的工作电流。
运放型灵敏放大器结构是一种源级耦合的结构,为了在不增加面积和功耗的基础上增大其放大能力,图中使用M3与M4构成的有源电流镜负载代替了传统的电阻负载。
这种CMOS运放型差分放大器有如下特点:
运放型结构的放大倍数大,灵敏度高,但速度慢,经过仿真,其放大时间约为1.5ns左右。
运放型灵敏放大器的另一个缺点是单边输出全摆幅信号,使用时经常成对出现,占用了大量的版图面积。
并且运放型灵敏放大结构存在大的静态电流。
2.2交叉耦合型灵敏放大器结构
第二种灵敏放大器的结构类型为交叉耦合型灵敏放大器。
由于SRAM中灵敏放大器对速度的要求放在第一位,而对放大倍数的要求则放在其次,一般要求达到10至100即可[2]。
基于这一点来说,运放型结构灵敏放大器的高增益与低速度成为其不能广泛使用的一个瓶颈。
交叉耦合型灵敏放大器的出现弥补了运放型结构的缺点。
其结构如图3所示。
图3交叉耦合型灵敏放大器结构
交叉耦合结构速度较快的原因是存在一个由两只PMOS管M3、M4构成的正反馈。
SE信号用来控制开关管M5的导通,即控制整个放大电路的开关。
这样当且仅当放大电路需要工作时才打开M5管,可以节约相当一大部分的功耗。
交叉耦合型结构器优点是速度快,仿真的表明约为0.7ns,缺点是增益低,灵敏度低,放大功耗大。
2.3锁存型灵敏放大结构
第三种结构类型放大器是锁存器型灵敏放大器,这是一种不同于以上两种工作方式放大器结构。
它由于自身的突出优势和独特的放大方式,被广泛的运用于灵敏放大器结构之中。
(1)基本的锁存类放大结构
图4是基本的结构。
这种结构的核心是一个相互耦合的反相器对[3],即通常所说的锁存器,它是一个正反馈结构有利于加快放大速度。
BLB与BL端即是输入端也是输出端。
图4锁存型灵敏放大器的基本结构
当SE为高时,M5管导通,电路开始处于工作状态。
此时BL与BLB尚处在一个平衡状态,BL与BLB之间还接有一个起平衡作用的平衡管,可以将锁存器状态保持在其亚稳态点,即锁存器增益最大的工作点。
此时若BL与BLB开始形成差分信号,则会立即由正反馈形成快速的放大作用,BL与BLB达到高低电平,此时对锁存器的两边电路来说,每边仅有一个MOS管导通,从电源至地没有直接的直流通路,其静态功耗为零。
(2)差分锁存型灵敏放大结构[4]
图4电路的一个最大的特点,对SRAM电路来说也是最大的缺点,就是这种放大器的输入与输出是合一的。
但是对于SRAM位线挂载单元数量大,寄生电容也大,因此在放大的过程中,若是通过放大器将一对位线拉至差分的全摆幅信号,放大的延迟及所功耗都非常大。
鉴于此种原因,在SRAM中一般不使用这种锁存型基本结构放大器。
在SRAM之中,为了使输入与输出隔离开,常使用的锁存型灵敏放大器是经过改进后带差分结构的灵敏放大器[5],如图5所示。
与图4相比,图5所示的放大器多出三只MOS管,其中M7为平衡管,M8、M9为差分管。
EQU为平衡信号,用来控制放大器的输出状态。
图5带有差分结构的锁存型结构放大器
图5所示的放大器大信号的工作原理如下:
当SE信号打开开关管M6,EQU信号关闭平衡管M7时,BL与BLE被预充到VDD,同时输出DBN与DB端会被强制固定在锁存器的亚稳态工作点附近。
此时,M1、M2、M3、M4皆工作在饱和区,近似于电流源特性。
给出图5所示的瞬态仿真波形图6。
图中曲线1为SE信号,曲线2、3为输出的数据DB与DBN。
曲线放大时间约为0.5ns.经过反复仿真确定电路的差分输入在400mv左右可以达到最佳的放大效果。
图6差分锁存型灵敏放大器的瞬态仿真波形
为了验证所设计电路的稳定性,在进行了常温常压下电路模拟之后,又进行了不同电源电压与不同温度的的仿真。
结果表明,改进差分锁存型灵敏放大器对温度及电源电压的影响不大。
其放大时间在0.45ns至0.7ns之间变化。
(3)改进的差分锁存型放大器[6]
图5所示的电路的缺点是其增益小,灵敏度过低,对于大容量的SRAM来说要使得位线上的摆幅增大,需要经历很长的延迟时间。
这种情况是在设计之中不愿意看到的。
为了增加差分型灵敏放大器的灵敏度,将图5电路改为图7的电路,消除图5电路中寄生的源极负反馈共源放大结构。
与图5不同的是差分对管移至锁存器的下部[7][8]。
图7改进后的差分锁存型灵敏放大器
下面对差分锁存器型灵敏放大器电路进行仿真,取典型的10mv差分输入波形如图8所示。
图8差分锁存结构的放大波形
图8所示的波形中,曲线1为放大器启动信号SE,曲线2、3为输出。
由图可以看出,差分锁存型灵敏放大器的放大速度非常快,从放大器启动至输出全摆幅逻辑电平仅消耗0.35ns左右的时间。
在进行了常温常压下电路模拟之后,又进行了不同电源电压与不同温度的仿真。
结果表明,差分锁存型灵敏放大器对温度的影响不大。
其放大时间在0.3ns至0.5ns之间的变化。
电路速度随电压的影响几乎为0。
综上所述,锁存型放大器的普遍特点是速度快,增益高,灵敏度大。
在SRAM的设计中,灵敏放大器的组成往往不是单一的,通常一个实际使用的放大器会有一至三级组成。
交叉耦合型结构,由于其增益低,速度快,往往被用在第一级灵敏放大,而运放型由于增益高,往往被用在第二级放大,且输出为单边信号的放大器中。
这两种放大器及其派生结构是单片SRAM中最常见的放大器。
锁存型灵敏放大器,因其正反馈结构可以输出全摆幅信号,往往只使用一级放大即可,但因其固有高敏感性,往往要求有精确的时序与匹配。
故常用在同步SRAM,嵌入式SRAM或高性能的SRAM之中[9]。
3实际灵敏放大器及数据通路的设计
鉴于以上对三种常用灵敏放大器的讨论,选用带差分结构的锁存型灵敏放大结构。
本文灵敏放大的结构中采用二级放大结构,第一级采用差分锁存型灵敏放大结构,第二级采用一个RS触发器,一方面使第一级放大的信号成为真正数字信号,另一方面来增加电路的驱动能力[10],在锁存RS触发器的输出端接入反相器。
作为最终驱动数据总线的三态门的驱动器。
放大器电路结构如下图9。
图9实际使用的差分锁存型放大结构
图9中在基本的差分结构的基础上加上了预充管和第二级的RS触发器,成为一个完整的放大电路。
加入RS触发器的另外一个好处是即使ATD信号结束之后第一级放大器不再工作,整个放大器仍然能够维持恒定的数据输出。
图10灵敏放大器的工作仿真波形
图10是此放大器的实际工作波形。
灵敏放大器的一个放大周期从EQU信号为低开始。
EQU信号为低,并持续一段时间,此时M9,M10管打开,将输入位线B与BN电压预充至VDD。
同时M7,M8,M11管也随之打开,将输出差分信号G和GN预充至VDD,并通过M7使G与GN保持电压一致,即放大器的清零功能。
随后,EQU信号由低转高,此时所有预充电管与平衡管皆关闭,连接位线的多路选择器打开,字线也同时打开,单元开始对被预充到VDD的位线进行放电在B或BN端形成一定的电压差。
在B与BN形成一定的电压差(本文的放大电路中B与BN大约50mV的电压差值)之后,信号A由低转高,整个放大电路开始工作,由于正反馈交叉耦合反相器的影响,G与GN迅速的被放大成为全摆幅放大信号,传入后级电路。
当后级电路的信号稳定之后,A信号从高跳变为低,EQU信号由高跳变为低,放大器重新进入预充态。
G与GN保持电平一致且均为VDD,两个交叉耦合的与非门形成一个锁存结构,使得DB与DBN引脚在放大器停止工作之后依然能够保持一个较强的恒定信号。
此放大器是一个低功耗脉冲驱动放大电路,只有当SE信号由低至高跳变之后,才存在一条从VDD至GND之间的直流通路,并且一旦放大电路的输出差分形成全摆幅信号之后,放大电路就进入稳定态,这条直流通路也立即截止。
在这个放大器设计中需要特别注意问题,第一是对称性匹配问题。
因为交叉耦合结构对匹配非常敏感,所以对版图的布局,输入输出差分信号线的走线,都要有严格的匹配措施。
第二是时序问题,此放大电路是一个高噪声敏感电路,当EQU信号由低跳变到高,选中单元字线打开,开始对大电容负载的位线放电之后,一定要有相当一段时间的长度来保证放大器输入级的差分电压差至少为50mv之后,才可以使SE信号从低跳到高,打开M6管。
如果过早的打开M6管,轻微的噪声信号,都会使放大器向不稳定的方向跳变,那么,随后不论输入差分信号的电平差为多大,都不可能使得放大器再向正确的方向跳变。
第三必须很小心设计此放大器的尺寸。
以M6管为例,M6管不仅仅是作为放大电路的开关,它还向两条差分支路提供电流,如果增大M6管的尺寸,就会加大两支路的电流量,这更有利于使电路形成正反馈结构,加速电路的形成全摆幅电压的时间。
然而同时,M9与M8的增益却因此而减小,从而整个电路的增益因此而减小。
更有甚者,若M6足够大,使得G与GN在未能形成放大信号之前,已经通过大电流使其电压降到地,使M9,M8管关闭,从而使使放大器失效。
4总结
本文首先着重介绍对比了几种常用的灵敏放大结构,经过仿真比较得出它们之间的优缺点,在此基础了设计了用于高速低功耗SRAM的一款高速低功耗的灵敏放大器结构。
在输入差分信号建立之后,读出放大时间在最坏情况下需0.5ns。
在最坏情况下的工作周期仅需12ns,达到了20ns的设计目标。
在功耗方面,正常工作条件之下,工作功耗为125mW,静态维持功耗约为0.1mW。
参考文献
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McGrawHill,2006,55-70.
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DesignofSenseAmplifierintheHigh-speedandLowPowerSRAM
CHENPing-li
Abstract:
Basicstructureofoperationalamplifier–type,crosscoupled–type,latch-typethreedifferentSRAMsenseamplifierareanalyzedinthispaper.Advantagesanddisadvantagesarecomparedbysimulation.SRAMsenseamplifierwith0.1mWstaticpowerconsumptionisdesignedanditsread-outtimeis0.5nsattheworstcase.
Keywords:
senseamplifier;SRAM;simulation;high-speed;CMOS
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