中心議題：

• 電流靈敏放大器的基本結構
• 新型電流靈敏放大器的異同點

解決方案：

• 通過一個反相器實現對預充電電路的關閉
• 第二級放大器為反相器鏈

隨著便攜式電子設備(PDA、射頻卡
、GPS等)的de廣guang泛fan應ying用yong，半ban導dao體ti存cun儲chu器qi得de到dao了le長chang足zu的de發fa展zhan。半ban導dao體ti存cun儲chu器qi的de性xing能neng將jiang直zhi接jie影ying響xiang到dao係xi統tong在zai速su度du等deng方fang麵mian的de性xing能neng。因yin此ci，設she計ji能neng夠gou高gao速su存cun儲chu的de存cun儲chu器qi便bian成cheng為wei當dang今jin集ji成cheng電dian路lu設she計ji的de一yi個ge研yan究jiu熱re點dian。

cunchuqidesuduzhuyaojuedingyucunchuqideduqushijian。cunchuqideduqushijianzhuyaoshizhicongdizhixinhaodeshurudaoshujuxinhaodeshuchusuojinglideyanchishijian，yibanyoudizhishuru緩衝器
、譯碼器
、存儲單元、靈敏放大器、輸出緩衝器的延遲時間共同決定。因此，要減少存儲器的讀取時間，一般有兩種途徑：一是，減少從地址信號輸入到字線選通的延時
，由於內部譯碼器等電路相對固定的形式
，用這種方法減少延時是比較有限的
；另ling一yi種zhong是shi減jian少shao從cong字zi線xian選xuan通tong到dao數shu據ju輸shu出chu所suo經jing曆li的de延yan時shi

，這zhe可ke以yi通tong過guo改gai進jin靈ling敏min放fang大da器qi的de設she計ji來lai實shi現xian。可ke見jian，高gao性xing能neng靈ling敏min放fang大da器qi的de設she計ji對dui於yu存cun儲chu器qi性xing能neng改gai進jin是shi至zhi關guan重zhong要yao的de。

靈ling敏min放fang大da器qi的de工gong作zuo目mu的de是shi通tong過guo放fang大da位wei線xian上shang微wei小xiao信xin號hao的de變bian化hua而er讀du取qu存cun儲chu單dan元yuan中zhong的de數shu據ju。一yi般ban可ke以yi分fen為wei電dian流liu型xing靈ling敏min放fang大da器qi和he電dian壓ya型xing靈ling敏min放fang大da器qi兩liang種zhong。由you於yu電dian流liu靈ling敏min放fang大da器qi直zhi接jie探tan測ce輸shu入ru電dian流liu的de變bian化hua，可ke以yi克ke服fu電dian壓ya型xing靈ling敏min放fang大da器qi速su度du較jiao慢man、低工作電壓下小信號電壓增益減少等缺陷，因此電流靈敏放大器受到越來越多的關注。

與一般的靈敏放大器一樣，電流靈敏放大器的工作可以分為兩個過程：一是
，預充電過程
，即對位線(BitLine)的寄生電容進行充電，使之恢複到高電平
，為下一次讀寫作準備；二(er)是(shi)放(fang)大(da)過(guo)程(cheng)
，即(ji)對(dui)位(wei)線(xian)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)處(chu)理(li)，以(yi)讀(du)取(qu)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)所(suo)存(cun)儲(chu)的(de)數(shu)據(ju)。本(ben)文(wen)就(jiu)是(shi)在(zai)這(zhe)兩(liang)個(ge)過(guo)程(cheng)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，設(she)計(ji)出(chu)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)電(dian)流(liu)靈(ling)敏(min)放(fang)大(da)器(qi)。該(gai)放(fang)大(da)器(qi)采(cai)用(yong)的(de)預(yu)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)能(neng)夠(gou)在(zai)較(jiao)長(chang)時(shi)間(jian)內(nei)(預充電周期以內)保持充電電流處於一個較大值
，這樣可以減少預充電時間；同時采用兩級放大電路對位線信號進行放大
，以確保增益、速度達到要求。

電流靈敏放大器的基本結構

其中：Ic是存儲單元的電流；Ir是參考電流；REF是輸出節點；Ibias是電路偏置電流。Ic由存儲單元所存儲的信息決定，當存儲信息為“1”時，Ic為大電流；當存儲信息為“0”時Ic為小電流；Ir的值介於Ic的大、小電流之間。REF節點輸出電壓為：


式中：rout為輸出節點REF處的小信號電阻。當Ic≥Ir時
，M2將處於截止區，輸出端的電壓將上拉到電源電壓VDD；Ic≤Ir時，M2將處於線性區，輸出端的值將接近於0V。

新型電流靈敏放大器

電流靈敏放大器結構簡單，但也存在諸多不足之處，如電源電壓不能足夠低

、預充電電流較小、擺率較低等。對此

，文獻[7]tichuyizhongzikonghengliuyuchongdiandianluyitigaodianluduqusudu，zheyidianludehaochuzaiyutongguoyigefanxiangqishixianduiyuchongdiandianludeguanbi，congerquebaoweixiandianyabuzhiyutaigaoeryingxiangcunchuxinxi。danshitongguofangzhenfaxian

，qudiaoyuchongdianjiegouzhongdefanxiangqihou
，tongguoshidangtiaozhengchongdiandianlujingtiguancanshu，zaiweixiandianyabuyingxiangcunchuxinxiqingkuangxiatongyangnengdadaojiaokuaideduqusudu。zaicijichushang，caiyongGSMC0.18μm工藝設計出一種新型電流靈敏放大器，見圖2。

在該電路中
，M3，M4，M7
，M8，M9以及電流源Ibiasl共同構成預充電電路。其中M7，M8
，M9和Ibiasl主要用來產生M3的柵極偏壓VREF；M3，M4和M5為鏡像結構，用來產生預充電電流。Ic和C1的並聯結構用模擬存儲單元，這種方式能有效地模擬存儲單元，同時也提高了仿真效率，其中Ic是讀取時存儲單元的電流
，C1是位線寄生電容。M10，M11
，M12
，M13和Ibias2
，Ibias3構成兩級放大器中的第一級

，是一個差分放大器。差分放大器的輸入信號分別是REF節點和BL節jie點dian處chu的de電dian壓ya。該gai差cha分fen放fang大da器qi采cai用yong一yi折zhe疊die鏡jing像xiang負fu載zai，在zai不bu增zeng加jia電dian源yuan電dian壓ya情qing況kuang下xia可ke以yi有you效xiao的de提ti高gao增zeng益yi。第di二er級ji放fang大da器qi為wei反fan相xiang器qi鏈lian。這zhe種zhong反fan相xiang器qi鏈lian式shi結jie構gou的de功gong能neng也ye可ke以yi用yong單dan個ge反fan相xiang器qi實shi現xian，但dan是shi采cai用yong單dan個ge反fan相xiang器qi會hui導dao致zhi較jiao大da的de尺chi寸cun，從cong而er使shi寄ji生sheng電dian容rong顯xian著zhu增zeng大da從cong而er降jiang低di速su度du。在zai綜zong合he考kao慮lv麵mian積ji、速度等因素之後，這種鏈式結構更具有優勢。[page]

電路仿真結果

圖2中，當存儲單元中存儲信息為“1”時，Ic為13μA
；存儲單元中存儲信息為“0”時，Ic=6μA。Ir為參考電流，其值介於6μA和13μA之間，設定為10.5μA。設定C1為1pF
，Ibias1=Ibias2=Ibias3=16μA(見文獻[6])。采用上海宏力0.18μm工藝在HSpice下進行仿真。


圖3為靈敏放大器在1.8V電源電壓和室溫條件下對存儲信息“1”放大的仿真圖形，其中橫坐標是時間，縱坐標是輸出節點Sout處的電壓。從仿真結果可以看出，在室溫(27℃)下讀取“1”的響應時間為13ns(在本文中，所有的仿真都是從0ns開始啟動的)，輸出電壓為電源電壓，擺率也比較大。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能快速準確地讀取存儲信息“1”。

圖4為靈敏放大器在1.8V電源電壓在室溫條件下對存儲信息“0”放大的仿真圖形。從仿真結果可以看出
，輸出電壓有微小的變化，但是在整個過程中輸出電壓都低於0.1V，都在低電平範圍內。這說明該電流靈敏放大器在室溫情況下能對存儲信息“0”進行可靠讀取。


表1是該電流靈敏放大器在不同電源電壓和環境溫度下的讀取時間。從表1中可以看出在較低電源電壓和惡劣環境下該電流靈敏放大器仍然有比較好的性能。表1還把本文的電流靈敏放大器的仿真結果與參考文獻[6]所仿真的結果進行了對比，可以看出在本文所設計的電流靈敏放大器在某些情況下有更快的讀取速度。

在(zai)深(shen)亞(ya)微(wei)米(mi)工(gong)藝(yi)條(tiao)件(jian)下(xia)設(she)計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)電(dian)流(liu)靈(ling)敏(min)放(fang)大(da)器(qi)，該(gai)電(dian)流(liu)靈(ling)敏(min)放(fang)大(da)器(qi)的(de)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)快(kuai)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)低(di)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)和(he)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)下(xia)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。一(yi)方(fang)麵(mian)，是(shi)因(yin)為(wei)采(cai)用(yong)的(de)預(yu)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)能(neng)在(zai)較(jiao)長(chang)時(shi)間(jian)內(nei)保(bao)持(chi)預(yu)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)處(chu)於(yu)一(yi)個(ge)較(jiao)大(da)值(zhi)
，這(zhe)可(ke)以(yi)縮(suo)短(duan)預(yu)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)
；另一方麵是由於采用了兩級放大電路對信號進行放大

，這可以在不增加電源電壓情況下顯著提高速度和增益。