0 引言

靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（SRAM）最初作為CPU與內(nèi)存之間的緩存。近年來已廣泛應(yīng)用于高性能通信網(wǎng)絡(luò)、便攜式設(shè)備以及SOC系統(tǒng)中，呈現(xiàn)出向高速器件與低功耗性能方向發(fā)展的趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)高速低功耗的SRAM已成為現(xiàn)在SRAM技術(shù)的主流方向。靈敏放大器是SRAM的重要組成部分，它將位線上的微小信號(hào)差迅速放大到全擺幅模式，從而有效減小數(shù)據(jù)的讀出延遲，同時(shí)由于不需要對(duì)位線電容完全充放電，因此也在某種程度上降低了功耗。所以，對(duì)高性能靈敏放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)是得到高速低功耗SRAM的一個(gè)有效途徑。根據(jù)對(duì)位線上要進(jìn)行處理的信號(hào)類型的不同，靈敏放大器可分為電壓型靈敏放大器和電流型靈敏放大器。由于電流型靈敏放大器直接檢測(cè)位線上的電流變化，不需要轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，因此在速度上更具有優(yōu)勢(shì)，可滿足高速的要求。針對(duì)不同的應(yīng)用層面，目前出現(xiàn)了多種電流型靈敏放大器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：有源負(fù)載PBT結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是輸出不受電源電壓及偏置電壓的影響；基于電流鏡結(jié)構(gòu)的電流靈敏放大器，可以應(yīng)用在低壓非易失存儲(chǔ)器中；為了消除位線噪聲電流，而提出的采用位線漏電流補(bǔ)償技術(shù)的電流型靈敏放大器；單端偽差分電流靈敏放大器，旨在改善SRAM讀出操作時(shí)的穩(wěn)定性及延遲；為降低功耗而提出的由兩級(jí)放大（全局和局部放大）構(gòu)成的全電流模式靈敏放大器以及APD靈敏放大器。

本文在分析目前廣泛應(yīng)用的電流型靈敏放大器的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)，以提高靈敏放大器的速度為主要目標(biāo)，兼顧考慮功耗，以實(shí)現(xiàn)速度和功耗之間合理的折衷。

1 傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器

傳統(tǒng)的電流型靈敏放大器是由4個(gè)晶體管構(gòu)成的交叉耦合反相器單元，位線信號(hào)從漏極輸入，經(jīng)正反饋放大，再由漏極輸出，電路如圖1所示。靈敏放大器有2個(gè)工作階段：預(yù)充電和信號(hào)放大階段。預(yù)充電時(shí)，2個(gè)上拉P管將位線電壓拉至VDD，同時(shí)平衡管（M3）開啟，使位線電壓近似相等；當(dāng)靈敏放大器使能信號(hào)有效時(shí)，便進(jìn)入放大階段，檢測(cè)到位線上電流的變化差值并放大輸出。

2 改進(jìn)的電流型靈敏放大器

上述分析的靈敏放大器的輸入和輸出共用同一個(gè)端口，容易相互產(chǎn)生串?dāng)_，造成輸出結(jié)果錯(cuò)誤，并且當(dāng)該端口作為輸出端時(shí)，由于位線寄生電容較大，會(huì)浪費(fèi)部分時(shí)間在對(duì)該電容進(jìn)行充放電上，由靈敏放大器的延遲公式即式（1）可以看出，當(dāng)位線電容Cbit增大時(shí)，延遲Td也將變大，不利于高速靈敏放大器的設(shè)計(jì)。所以可在原有電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加一對(duì)隔離管，并對(duì)外圍電路做一改進(jìn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)靈敏放大器進(jìn)行放大時(shí)，隔離管（M10和M11）開啟，信號(hào)輸入和輸出端被隔斷，輸出時(shí)可以不必考慮端口的寄生電容，因此有效提高了靈敏放大器的速度；并且當(dāng)靈敏放大器處于預(yù)充狀態(tài)時(shí)，隔離管關(guān)閉，這樣反相器的P管和N管就被隔離開，之間沒有通路，也就沒有漏電流，從而降低了電路的功耗。

另外電流型靈敏放大器的輸入為電流信號(hào)，故不需要在位線上建立較大的電壓差，即可快速放大差值信號(hào)。因此，從動(dòng)態(tài)功耗即式（2）及式（1）可以看出，小的電壓擺幅△Vs可使電流型靈敏放大器的功耗與延遲同時(shí)減小。

此外，對(duì)靈敏放大器的時(shí)序控制也非常重要。若時(shí)序設(shè)置不當(dāng)，有可能會(huì)造成靈敏放大器的讀出錯(cuò)誤，相反若設(shè)計(jì)得當(dāng)，不僅可以減小數(shù)據(jù)的讀出延遲，還可以有效地降低靈敏放大器的功耗。因此，需要對(duì)這部分做一特別考慮。

2．1 靈敏放大器的工作過程

在預(yù)充電階段，DRP為“0”，此時(shí)M1，M2，M3，M6，M7管導(dǎo)通，M10，M11管關(guān)斷，位線BL和BL被上拉至電源電壓VDD，平衡管M3使兩邊的位線電壓處于近似相等的狀態(tài)。同時(shí)交叉耦合反相器的輸出端C，D也被上拉至VDD，使得在預(yù)充電時(shí)DPU為“0”，DPN為“1”。M4和M5管為電流傳輸管，由信號(hào)SP控制，在預(yù)充電時(shí)，SP為低電平，M4、M5導(dǎo)通，電流通過這2個(gè)管傳輸?shù)紸、B端，等待放大信號(hào)的到來。M10，M11關(guān)閉，將放大通路阻斷，此時(shí)靈敏放大器使能信號(hào)SRCD為低，M14導(dǎo)通，使C，D兩端電壓相互平衡，M15則關(guān)閉，從而切斷了電源到地之間的通路，使得靈敏放大器在預(yù)充電時(shí)沒有漏電流，進(jìn)而降低了電路的功耗。這一階段是準(zhǔn)備階段，即靈敏放大器為下一個(gè)放大操作做準(zhǔn)備的過程。在放大模式下，首先DRP跳變?yōu)椤?”，結(jié)束預(yù)充電過程，同時(shí)M10、M11管導(dǎo)通。隨后SRCD變?yōu)楦唠娖剑琈16管導(dǎo)通，M14關(guān)閉，放大通路由此形成。之后SP變?yōu)楦唠娖剑瑢㈦娏鱾鬏敼荜P(guān)閉，此時(shí)A，B端之間的微小電流信號(hào)差通過正反饋被迅速放大成全擺幅的邏輯信號(hào)。當(dāng)被放大的輸出信號(hào)穩(wěn)定后，靈敏放大器將重新進(jìn)入到預(yù)充電狀態(tài)。在整個(gè)靈敏放大器電路中，M8、M9、M12和M13管構(gòu)成的交叉耦合反相器是核心，其管子尺寸直接影響放大器的速度。因此，還需適當(dāng)調(diào)整這4個(gè)管的尺寸從而最大化的提高靈敏放大器的速度。表1為核心管子的尺寸。

2．2 時(shí)序控制電路

該靈敏放大器的時(shí)序控制信號(hào)包括：預(yù)充電控制信號(hào)DRP、電流傳輸信號(hào)SP、靈敏放大器使能信號(hào)SRCD。在外部看，整個(gè)靈敏放大器的時(shí)序基于一個(gè)GTP_2信號(hào)，該信號(hào)是由外部時(shí)鐘CLK產(chǎn)生的同步脈沖，即通過反饋把周期的時(shí)鐘信號(hào)變成一個(gè)周期的窄脈沖信號(hào)GTP_2，從圖3的波形中可以明顯看出。用該脈沖代替CLK控制SRAM的讀寫操作，可以盡可能地減少晶體管的開啟時(shí)間，從而有效降低了電路的功耗。

由于預(yù)充是為放大做準(zhǔn)備的階段，因此預(yù)充電控制信號(hào)DRP要先于其它所有信號(hào)，以便在其它信號(hào)到來之前先對(duì)電路進(jìn)行充電。在DRP跳變?yōu)楦唠娖街埃娏鱾鬏斝盘?hào)SP以及使能SRCD都為低電平，SP為低保證位線高電平已傳輸至A、B端，而SRCD為低則將平衡管M14開啟。當(dāng)電路進(jìn)入到放大狀態(tài)時(shí)，DRP變?yōu)楦唠娖剑瑸榱吮ＷC位線電壓被充分傳輸至A、B兩端，SP應(yīng)在DRP跳變后再變?yōu)楦唠娖健６谶M(jìn)行信號(hào)放大之前，應(yīng)使SRCD為高，關(guān)閉平衡管同時(shí)開啟尾電流源，并且關(guān)斷M14一定是在打開隔離管M10和M11之后進(jìn)行的，因?yàn)槿袅⒓搓P(guān)斷平衡管，放大器兩邊輕微的失配就會(huì)觸發(fā)正反饋進(jìn)行工作，從而導(dǎo)致讀出結(jié)果的錯(cuò)誤。因此，信號(hào)SRCD可由DRP經(jīng)過反相器鏈延遲后形成，同時(shí)SRCD應(yīng)先于SP變高，并且SP的高電平只需持續(xù)到下一次預(yù)充準(zhǔn)備時(shí)，即DRP變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，所以SP可由DRP和GTP_2的反信號(hào)相與產(chǎn)生。圖4即為控制該靈敏放大器工作的時(shí)序電路，由該電路產(chǎn)生的波形如圖5所示。

3 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用SMIC 0．13μm數(shù)字工藝在HSpice下進(jìn)行仿真，在位線BL和BL_上各加1個(gè)1 pF的電容來模擬大容量SRAM電路中的位線電容，并添加一個(gè)六管的存儲(chǔ)單元，輸出端各加1個(gè)50 pF的負(fù)載電容，字線WP用窄脈沖控制，仿真時(shí)工作電壓設(shè)為1．2 V，溫度為室溫。

圖6為改進(jìn)后的電流型靈敏放大器的實(shí)際仿真波形。從圖中可以看出，在圖4時(shí)序電路的控制下，靈敏放大器的實(shí)際工作過程完全符合上述分析。如圖6（a），在預(yù)充電時(shí)由于位線被上拉至VDD，所以輸出DPN為高電平，而DPU為低電平；放大時(shí)，由于存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的信息為“0”，所以BL一側(cè)對(duì)寄生電容放電后電流略微減小進(jìn)而與BL_側(cè)形成電流差值，之后由正反饋迅速放大，在輸出DPN端得到全擺幅的邏輯電平“0”，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)被正確讀出。圖6（b）為存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)信息為“1”時(shí)的輸出波形，分析同上，最后是在DPU端得到全擺幅的邏輯電平“1”。

改進(jìn)型電流靈敏放大器的版圖如圖7所示，面積為82．39μm2。版圖設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮了器件的匹配性以及布局布線的合理性，盡可能減小寄生效應(yīng)對(duì)電路性能的影響。對(duì)該靈敏放大器進(jìn)行后仿真，結(jié)果顯示其放大延遲為0．344 ns，平均功耗為102μW。由此可見，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型的電流靈敏放大器可以實(shí)現(xiàn)高速低功耗的要求。

在工藝條件及工作電壓相近的前提下，將本文的靈敏放大器與文獻(xiàn)中提到的幾種靈敏放大器在速度和功耗上進(jìn)行比較，見表2。結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)型電流靈敏放大器無論在速度，還是在功耗上都較其它靈敏放大器更具有優(yōu)勢(shì)。速度為0．344 ns，與文獻(xiàn)提出的電流型靈敏放大器相比提高了9．47％，比文獻(xiàn)所示的放大器則提高了31．2％；功耗則較兩者分別降低了64．8％和63％。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一款改進(jìn)的電流型靈敏放大器，其優(yōu)勢(shì)在于讀取速度快，功耗低，并且適合在低壓下工作。與文獻(xiàn)提出的電流靈敏放大器相比，速度分別提高了9．47％和31．2％，而功耗則降低了64．8％和63％。由于電流型靈敏放大器輸入阻抗小，并且本文在原有的基礎(chǔ)上加了一對(duì)隔離管，使得輸出不受負(fù)載電容的影響，同時(shí)優(yōu)化了四個(gè)核心管的尺寸，進(jìn)而有效提高了靈敏放大器的速度；此外，對(duì)放大器的時(shí)序控制電路也做了細(xì)致合理的設(shè)置，在完成放大的基礎(chǔ)上盡量減少管子的開啟時(shí)間，從而減小靜態(tài)電流，達(dá)到了降低功耗的目的。因此，該靈敏放大器完全滿足高速低功耗的需求，更適合低電壓，大容量SRAM的應(yīng)用。