本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種反饋型防過充電流敏感放大器及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著存儲(chǔ)器工藝不斷升級(jí)更新，存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)不斷是縮進(jìn)，對(duì)識(shí)別其微小電流差異的放大器的電路的要求也隨之提高。由此各種類型的讀出放大器結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，本文針對(duì)的便是應(yīng)用十分普遍的電流型放大器進(jìn)行發(fā)明改進(jìn)。

傳統(tǒng)電流放大器有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些弊端，如過沖現(xiàn)象：在每次對(duì)位線讀操作時(shí)，位線接入放大器，放大器則根據(jù)時(shí)序?qū)ξ痪€進(jìn)行充電，由于反饋級(jí)振鈴效應(yīng)，位線常出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，從而降低了數(shù)據(jù)讀取速度，甚至讀出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

現(xiàn)有技術(shù)中，如圖1與2所示，圖1為一個(gè)典型的傳統(tǒng)電流型放大器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為一個(gè)典型的傳統(tǒng)電流型放大器的仿真波形示意圖。在現(xiàn)有技術(shù)中的放大器的反饋級(jí)采用簡(jiǎn)單的推挽結(jié)構(gòu)。

從圖2的仿真結(jié)果可見由于負(fù)反饋使得位線出現(xiàn)過沖振鈴，因此需要更多的預(yù)充電時(shí)間來建立位線電平使之保持穩(wěn)定，之后再通過共柵放大級(jí)對(duì)存儲(chǔ)單元微的小電流進(jìn)行放大，最終在輸出端讀出數(shù)據(jù)。增加預(yù)充電時(shí)間也就意味著讀速的下降。對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的位線負(fù)載此結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的過充將尤為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種反饋型防過充電流敏感放大器及其控制方法。具體為在存儲(chǔ)器領(lǐng)域提供一種用于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器單元陣列讀出數(shù)據(jù)所需的放大器結(jié)構(gòu)。通過采用電流負(fù)載反饋級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位線的平滑充電和防過沖保護(hù)，進(jìn)而提高讀取數(shù)據(jù)的速度和提升電路的穩(wěn)定性的目的。以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)位線充電電壓的精確控制，減少不必要的充電電荷，使總體功耗降低的目的。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種反饋型防過充電流敏感放大器，包含：反饋級(jí)電路i21，共柵放大器i20與放大輸出級(jí)i29；所述反饋級(jí)i21的輸出端a與共柵放大器i20的輸入端連接，所述共柵放大器i20的輸出端與所述放大輸出級(jí)i29的輸入端連接；所述放大輸出器i29的輸出端為所述電流敏感放大器的數(shù)據(jù)輸出端。在預(yù)放電階段，放電使能信號(hào)disc輸入至所述反饋級(jí)電路i21，使所述反饋級(jí)電路i21的輸出端a點(diǎn)與所述共柵放大器i20設(shè)有的存儲(chǔ)單元的位線bl復(fù)位到“0”電平狀態(tài)。在預(yù)充電階段，預(yù)充電信號(hào)prec輸入至所述共柵放大器i20，在所述預(yù)充電信號(hào)prec有效期間，通過所述反饋級(jí)電路i21對(duì)共柵放大器i20進(jìn)行預(yù)充電，直到所述反饋級(jí)電路i21的輸出端a點(diǎn)電壓與所述共柵放大器i20設(shè)有的存儲(chǔ)單元的位線bl電壓平滑上升至穩(wěn)定態(tài)。在放大讀出階段，所述共柵放大器i20對(duì)共柵放大器i20設(shè)有的負(fù)載cl的導(dǎo)通電流信號(hào)iout與存儲(chǔ)單元的位線bl上的電壓進(jìn)行放大并輸出dout信號(hào)；所述放大輸出器i29對(duì)所述dout信號(hào)放大并輸出。

優(yōu)選地，所述反饋級(jí)電路i21進(jìn)一步包含：偏置電流源i24，第一放電使能mos管i25，第二放電使能mos管i26與反饋晶體管i27。所述偏置電流源i24的柵極接入bias信號(hào)；所述偏置電流源i24的漏極與所述第一放電使能mos管i25的源極連接。所述第一放電使能mos管i25與第二放電使能mos管i26的柵極接入放電使能信號(hào)disc。所述第一放電使能mos管i25的漏極與所述第二放電使能mos管i26和反饋晶體管i27的漏極連接。所述第二放電使能mos管i26和反饋晶體管i27的源極接地。

優(yōu)選地，在預(yù)放電階段，放電使能信號(hào)disc通過所述第一放電使能mos管i25、第二放電使能mos管i26將反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)復(fù)位到“0”電平狀態(tài)，同時(shí)，存儲(chǔ)器單元的位線bl泄放到“0”電平狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述共柵放大器i20進(jìn)一步包含：共柵放大管i22，參考電流源負(fù)載管i23，放大輸出級(jí)i30。所述共柵放大管i22的源極與存儲(chǔ)器單元的位線bl連接。所述負(fù)載cl一端與所述存儲(chǔ)器單元的位線bl連接，其另一端接地。所述共柵放大管i22的柵極與所述反饋級(jí)電路i21的輸出端a連接。所述共柵放大管i22的漏極與所述參考電流源負(fù)載管i23的漏極和所述預(yù)充電mos管i30的漏極連接。所述參考電流源負(fù)載管i23的源極和所述預(yù)充電mos管i30的源極連接。所述參考電流源負(fù)載管i23的柵極接入iref信號(hào)；所述預(yù)充電mos管i30的柵極接入預(yù)充電信號(hào)prec。所述共柵放大器i20的存儲(chǔ)單元的位線bl與反饋級(jí)電路i21的反饋晶體管i27的柵極連接。所述共柵放大管i22的源極為所述電流敏感放大器的輸入端。

優(yōu)選地，在預(yù)充電信號(hào)prec期間，所述反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)的電位由“0”電位逐漸上升，使共柵放大管i22的柵極打開并對(duì)電流敏感放大器的輸入端充電，直至充電到所述反饋輸出級(jí)電路i21中的反饋晶體管i27打開，產(chǎn)生負(fù)反饋，使共柵放大管i22的柵極電壓穩(wěn)定在vgs×2電位，所述電流敏感放大器的輸入端的電壓穩(wěn)定在vgs；

預(yù)充電結(jié)束后，所述負(fù)載cl的導(dǎo)通電流信號(hào)iout通過所述共柵放大器i20放大。

優(yōu)選地，所述放大輸出級(jí)i29進(jìn)一步包含：放大器i28；所述放大器i28的輸入端與所述共柵放大器i20的輸出端連接；所述放大器i28的輸出端為所述電流敏感放大器的數(shù)據(jù)輸出端。所述放大輸出級(jí)i29用于將所述共柵放大器i20輸出的電流信號(hào)iout與共柵放大器i20輸出的參考電流比對(duì)并放大輸出。

優(yōu)選地，所述共柵放大器i20進(jìn)一步包含：前饋電容i31，所述前饋電容i31的一端與所述共柵放大管i22的柵極連接；所述前饋電容i31的另一端與所述存儲(chǔ)單元的位線bl連接；所述前饋電容i31用于對(duì)反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)與存儲(chǔ)單元的位線bl之間的電流進(jìn)行前饋耦合，加快所述存儲(chǔ)單元的位線bl電平的上升。

本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案為一種基于上述反饋型防過充電流敏感放大器的控制方法，包含以下過程：對(duì)于任意一次數(shù)據(jù)的讀取，在進(jìn)行讀操作時(shí)，在預(yù)放電階段，放電使能信號(hào)disc輸入至所述反饋級(jí)電路i21，使所述反饋級(jí)電路i21的輸出端a點(diǎn)與所述共柵放大器i20設(shè)有的存儲(chǔ)單元的位線bl復(fù)位到“0”電平狀態(tài)；

在預(yù)充電階段，預(yù)充電信號(hào)prec輸入至所述共柵放大器i20，在所述預(yù)充電信號(hào)prec有效期間，通過所述反饋級(jí)電路i21對(duì)共柵放大器i20進(jìn)行預(yù)充電；使所述共柵放大器i20的柵極電壓穩(wěn)定在vgs×2電位，所述存儲(chǔ)單元的位線bl穩(wěn)定在vgs電位；

在放大讀出階段，所述共柵放大器i20對(duì)iout信號(hào)與存儲(chǔ)單元的位線bl上的電壓進(jìn)行放大并輸出dout信號(hào)；所述放大輸出器i29對(duì)所述dout信號(hào)放大并輸出。

優(yōu)選地，預(yù)放電階段，將所述存儲(chǔ)器單元的位線bl和所述共柵放大管i22的柵極接地；放電使能信號(hào)disc通過所述第一放電使能mos管i25、第二放電使能mos管i26將反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)復(fù)位到“0”電平狀態(tài)，同時(shí)，所述存儲(chǔ)器單元的位線bl也被泄放到“0”電平狀態(tài)。

預(yù)充電階段，通過反饋級(jí)電路i21對(duì)共柵放大管i22的柵極和電流敏感放大器的輸入端充電，在預(yù)充電信號(hào)prec有效期間，反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)由“0”電平電位通過所述偏置電流源i24逐漸充電至穩(wěn)定態(tài)，在此過程中，所述存儲(chǔ)器單元的位線bl則通過所述共柵放大管i22及預(yù)充電mos管i30由“0”電平電位逐漸充電并鉗位到1v附近。

放大讀出階段，預(yù)充電結(jié)束后，所述負(fù)載cl的導(dǎo)通電流信號(hào)iout通過所述共柵放大器i20放大；之后通過所述放大輸出級(jí)i29將所述共柵放大器i20輸出的電流信號(hào)dout與共柵放大器i20輸出的參考電流比對(duì)并放大輸出。

優(yōu)選地，所述反饋輸出級(jí)的上拉電流與反饋晶體管i27尺寸滿足如下匹配關(guān)系：定義反饋輸出級(jí)上拉電流為ibias，電路進(jìn)入反饋平衡狀態(tài)時(shí)，反饋晶體管i27的電流值與反饋輸出級(jí)上拉電流相等，

則反饋晶體管i27的尺寸滿足

式中，vgs＝1v，un為反饋晶體管的溝道遷移率，cox為反饋晶體管溝道單位電容，vth為反饋晶體管的閾值，w為反饋晶體管的溝道寬度，l為反饋晶體管的溝道長(zhǎng)度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

通過采用電流負(fù)載反饋級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位線的平滑充電和防過沖保護(hù)，進(jìn)而提高讀取數(shù)據(jù)的速度和提升電路的穩(wěn)定性。同時(shí)由于對(duì)位線充電電壓的精確控制，減少了不必要的充電電荷，使總體功耗降低的優(yōu)點(diǎn)。

在本發(fā)明的基礎(chǔ)上，通過在共柵放大器的柵極和位線之間增加一個(gè)前饋電容，這樣可以有效的去除柵極電壓和位線上的微小過沖，這種結(jié)構(gòu)適用于高精度，高速度的敏感放大器電路應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用需求有選擇的使用前饋電容的技術(shù)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電流型放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中電流型放大器的仿真波形示意圖；

圖3為本發(fā)明一種反饋型防過充電流敏感放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種反饋型防過充電流敏感放大器的仿真波形示意圖；

圖5為本發(fā)明一種反饋型防過充電流敏感放大器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明一種反饋型防過充電流敏感放大器的一個(gè)實(shí)施例的仿真波形示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖3所示，本發(fā)明一種反饋型防過充電流敏感放大器，包含：反饋級(jí)電路i21，共柵放大器i20與放大輸出級(jí)i29；所述反饋級(jí)i21為由可復(fù)位的電流負(fù)載共源放大器組成的。所述反饋級(jí)i21的輸出端a與共柵放大器i20的輸入端連接，所述共柵放大器i20的輸出端與所述放大輸出級(jí)i29的輸入端連接。所述放大輸出器i29的輸出端就是本發(fā)明電流敏感放大器的數(shù)據(jù)輸出端。

所述反饋級(jí)電路i21進(jìn)一步包含：偏置電流源i24，第一放電使能mos管i25，第二放電使能mos管i26與反饋晶體管i27。

所述偏置電流源i24的柵極接入bias信號(hào)；所述偏置電流源i24的漏極與所述第一放電使能mos管i25的源極連接。

所述第一放電使能mos管i25與第二放電使能mos管i26的柵極接入放電使能信號(hào)disc。

所述第一放電使能mos管i25的漏極與所述第二放電使能mos管i26和反饋晶體管i27的漏極連接。

所述第二放電使能mos管i26和反饋晶體管i27的源極接地。

所述反饋晶體管i27的柵極與所述共柵放大器i20的存儲(chǔ)單元的位線bl連接。

所述共柵放大器i20進(jìn)一步包含：共柵放大管i22，參考電流源負(fù)載管i23，放大輸出級(jí)i30與存儲(chǔ)單元的位線bl與負(fù)載cl。

所述共柵放大管i22的源極作為本發(fā)明電流敏感放大器的輸入端，并且所述共柵放大管i22的源極與存儲(chǔ)器單元的位線bl連接；所述共柵放大管i22的柵極與所述反饋級(jí)電路i21的輸出端a連接；所述共柵放大管i22的漏極與所述參考電流源負(fù)載管i23的漏極和所述預(yù)充電mos管i30的漏極連接；所述參考電流源負(fù)載管i23的源極和所述預(yù)充電mos管i30的源極連接；所述參考電流源負(fù)載管i23的柵極接入iref信號(hào)；所述預(yù)充電mos管i30的柵極接入預(yù)充電信號(hào)prec。所述負(fù)載cl一端與所述存儲(chǔ)器單元的位線bl連接，其另一端接地。

所述放大輸出級(jí)i29進(jìn)一步包含：放大器i28；所述放大器i28的輸入端與所述共柵放大管i22、參考電流源負(fù)載管i23和所述預(yù)充電mos管i30的漏極連接；所述放大器i28的輸出端為所述放大輸出級(jí)i29的輸出端，即為本發(fā)明電流敏感放大器的數(shù)據(jù)輸出端。

結(jié)合圖3與圖4所示，在上述一種反饋型防過充電流敏感放大器的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還公開了一種反饋型防過充電流敏感放大器的控制方法，包含以下過程：本發(fā)明電流敏感放大器的一次數(shù)據(jù)讀取動(dòng)作包含三個(gè)階段，第一階段為預(yù)放電階段，將電流敏感放大器的輸入端即所述存儲(chǔ)器單元的位線bl和所述共柵放大管i22的柵極都強(qiáng)制到地。

在進(jìn)行讀操作時(shí)，首先是預(yù)放電；具體的預(yù)放電過程如下，放電使能信號(hào)disc通過所述第一放電使能mos管i25、第二放電使能mos管i26將反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)復(fù)位到“0”電平狀態(tài)，與此同時(shí)存儲(chǔ)器單元的位線bl也被泄放到“0”電平狀態(tài)。

第二階段為預(yù)充電階段，通過反饋級(jí)電路i21對(duì)共柵放大管i22的柵極和電流敏感放大器的輸入端充電，并且在預(yù)充電階段期間，反饋級(jí)電路i21的輸出端a與存儲(chǔ)單元的位線bl這兩個(gè)充電節(jié)點(diǎn)都平滑的上升到期望值，沒有出現(xiàn)振鈴和過充現(xiàn)象。

所述預(yù)充電階段具體過程如下，在預(yù)充電信號(hào)prec有效期間，反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)由“0”電平電位通過所述偏置電流源i24逐漸充電至穩(wěn)定態(tài)，在此過程中，所述存儲(chǔ)器單元的位線bl則通過所述共柵放大管i22及預(yù)充電mos管i30由“0”電平電位逐漸充電并鉗位到1v左右。

由于共柵放大器i20的柵極與反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)為可控的充電斜率，在此過程中，存儲(chǔ)單元的位線bl從上升過程平滑過渡到穩(wěn)定態(tài)，并且由于反饋晶體管i27的存在，所述反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)的電壓及時(shí)的被反饋鉗位，有效的防止了負(fù)反饋閉環(huán)鏈路引起的震蕩振鈴，從而縮短了存儲(chǔ)單元的位線bl的預(yù)充電建立時(shí)間，進(jìn)而有效的提高了讀出數(shù)據(jù)的速度，同時(shí)也大大減小了共柵放大器i20對(duì)存儲(chǔ)單元的位線bl負(fù)載cl變化的敏感性，簡(jiǎn)化位線譯碼的設(shè)計(jì)難度。

第三階段為放大讀出階段，dout信號(hào)通過所述共柵放大管i22的放大，迅速的將存儲(chǔ)單元的位線bl上的電壓放大，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。

上述數(shù)據(jù)的放大讀出階段具體過程如下，在所述共柵放大器i20的作用下，iout信號(hào)被放大，并且通過放大輸出級(jí)i29進(jìn)一步放大并且讀出。

綜上所述，通過在反饋級(jí)電路i21電路中引入的第一放電使能mos管i25、第二放電使能mos管i26及偏置電流源i24實(shí)現(xiàn)了對(duì)共柵放大器i20柵極與反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)可控的電壓上升斜率，并通過反饋晶體管i27使得電路不存在過充現(xiàn)象。本發(fā)明能有效減小由共柵放大器對(duì)位線負(fù)載變化引起的振鈴現(xiàn)象，對(duì)位線負(fù)載變化低敏感性。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例為如圖5所示，在本發(fā)明的反饋型防過充電流敏感放大器的基礎(chǔ)上增加了前饋電容i31，具體的工作原理與本發(fā)明相同。

所述前饋電容i31的一端與所述共柵放大管i22的柵極連接；所述前饋電容i31的另一端與所述存儲(chǔ)單元的位線bl連接。

結(jié)合圖5與圖6所示，增加前饋電容i31后，由于反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)與存儲(chǔ)單元的位線bl之間前饋耦合，使所述存儲(chǔ)單元的位線bl電平電位的上升加快，可以完全消除反饋級(jí)電路i21輸出端a點(diǎn)和存儲(chǔ)單元的位線bl上的微小過沖，適用高精度、高速度的敏感放大器電路應(yīng)用。

綜上所述，本發(fā)明所提及的電流放大器為對(duì)反饋級(jí)進(jìn)行復(fù)位設(shè)置初態(tài)，并采用偏置電流源作為反饋級(jí)負(fù)載，使位線在每次讀取數(shù)據(jù)時(shí)均從“0”電位逐漸充電至穩(wěn)定態(tài)，有效的防止了傳統(tǒng)電流放大器經(jīng)常出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定和快速的讀取。同時(shí)由于偏置電流源負(fù)載的引入，能使位線的負(fù)載在動(dòng)態(tài)變化情況下均能使位線達(dá)到穩(wěn)定預(yù)充。

在進(jìn)行讀操作時(shí)，先通過放電脈沖將反饋級(jí)輸出端復(fù)位到“0”狀態(tài)，電流敏感放大器輸入端也復(fù)位到“0”電位，在預(yù)充電信號(hào)期間，反饋輸出級(jí)由“0”電位逐漸上升，使共柵放大器打開并對(duì)電流敏感放大器的輸入端充電，一旦充電到上述反饋輸出級(jí)中的反饋n型場(chǎng)效應(yīng)管打開，產(chǎn)生負(fù)反饋的效果，致使共柵放大器的柵極電壓穩(wěn)定在vgs*2電位，敏感放大器的輸入端穩(wěn)定在vgs。預(yù)充電結(jié)束后，存儲(chǔ)單元的導(dǎo)通電流通過共柵放大器實(shí)現(xiàn)放大并在輸出級(jí)與參考電流比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。

反饋輸出級(jí)由“0”電位逐漸充電至穩(wěn)定態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位線從“0”電位逐漸充電并鉗位到1v左右，從而防止由于位線由于振鈴現(xiàn)象和電壓過充而導(dǎo)致的讀出速度變慢，和對(duì)存儲(chǔ)器單元的電壓沖擊，既保證了電路的讀速度性能，也提高了存儲(chǔ)器的可靠性，同時(shí)由于對(duì)位線充電電壓的精確控制，減少了不必要的充電電荷，使總體功耗降低。

由于位線的電壓需要控制在1v左右，所以反饋輸出級(jí)的上拉電流與反饋晶體管尺寸需要滿足一定匹配關(guān)系。若定義反饋輸出級(jí)上拉電流為ibias，而電路進(jìn)入反饋平衡狀態(tài)時(shí)ibias＝ii27，則反饋晶體管i27的尺寸需要滿足1/2*(uncox)w/l*(vgs-vth)²＝ibias，其中vgs＝1v，un為反饋晶體管的溝道遷移率，cox為反饋晶體管溝道單位電容，vth為反饋晶體管的閾值，w為反饋晶體管的溝道寬度，l為反饋晶體管的溝道長(zhǎng)度。

在實(shí)際應(yīng)用中，隨著反饋晶體管尺寸和電流選擇的不同，共柵放大器的柵極電壓和位線電壓有可能出現(xiàn)較小的過沖，在一般情況下，不影響敏感放大器的工作。另一方面可以通過在共柵放大器的柵極和位線之間增加一個(gè)前饋電容，這樣可以有效的去除柵極電壓和位線上的微小過沖，這種結(jié)構(gòu)適用于高精度，高速度的敏感放大器電路應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用需求可以有選擇的使用前饋電容的技術(shù)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。