灵敏放大器

第三章灵敏放大器

灵敏放大器与存储器单元密切相关，它决定了CMOS放大器的性能和所能工作的环境。因为灵敏放大器在存储器设计中具有很重要的作用，所以它成为了电路中的一个大的类别。由于本书是第一版，在本章中对于灵敏放大器进行了系统地研究，包括基本的电路到高级电流灵敏电路。这部分学习包括电路和工作的描述、直流、交流和瞬态信号的分析、设计指导和改善性能的方法。

3.1 灵敏电路

3.2 通用灵敏放大器

3.3差动电压灵敏放大器

3.4 电流灵敏放大器

3.5 减少偏移

3.6非差动灵敏放大器

3.1 灵敏电路

3.1.1 数据检测

在集成电路中“sensing ”是指对选定的存储单元里面的数据内容的检测和判断。在读取的操作过程中，当选定的存储单元里面的数据内容不变时（例如SRAM、ROM、PROM存取电路等），数据读取可能是非破坏性的；若选定的存储单元里面的数据内容发生变化时（如DRAM），数据读取可能是破坏性的操作。

灵敏电路是用来读取数据的。典型的灵敏电路（图3-1）在结构上是镜像对称的，它可能由（1）灵敏放大器、（2）用来实现读取操作的电路，例如预充电电路、参考电路和负载电路。（3）位线隔离器/选择器设备（4）一个存储记忆单元、（5）寄生元件，包括分散电容、位线电阻与位线连接的未选定的存储单元的阻抗。

由支持电路和连接到位线上的寄生元件所产生的合成阻抗对随机存储存储器和许多顺序存储的关联存储器的工作有显著的影响。由于有效的位线电容和存取单元电阻很大，而且在读操作时存储单元输出能量很小，存储单元只能产生微弱的电流信号和电压信号。这些信号有较大的转换时间和传输时延，并且幅值达不到驱动存储器外围的逻辑电路所要求的逻辑0和1的电平标准（图3.2）。

我们可以使用灵敏放大器来提高存储器的速度和满足驱动存储器外围电路逻辑电平的要求。灵敏放大器必须用在使用灵敏电路的地方。灵敏电路和灵敏放大器的最基本的工作条件能够通过可预测的灵敏电路的工作区间（的边界条件）很方便地得到。

图3.1 典型的灵敏电路

图3.2放大前的位线上的数据信号（a）和外围逻辑电路的标准数据

信号（b）

下面的部分帮助我们理解决定工作区间（的边界条件）的专有术语和分析最重要的灵敏放大器和灵敏电路的其它部分电路的设计。3.1.2工作区间（边界条件）

一个数字电路的工作区间是指电压、电流和负载的工作范围，它们清楚地反映了整个电路的工作范围过程中的数据。在实际的电路中，工作区间的范围取决于（1）电路的设计、（2）加工工艺和（3）工作的环境条件。影响工作区间的特殊情况还可能包括电路的配置、单个晶体管的大小、输入与输出的负载、寄生元件和有源及无源器件的特性，而且这些参数可能会受到半导体工艺、供电电压、温度、光照的影响。

一般来说，灵敏放大器输入端的工作范围与驱动外围的数字电路所要求的电压范围在相位和幅值上是不同的（图3.3）。灵敏电路中

的灵敏放大器必须将位线和灵敏放大器输入端的低逻辑0和1电平放大到连接到灵敏放大器上的逻辑电路正常工作所要求的电平值。

图3.3 灵敏放大器输入端和外围逻辑电路的工作范围

灵敏放大器输入端和逻辑电路的工作范围之间的关系表明：

（1） 灵敏电路所检测到的最小的逻辑0和1的信号幅值∨0S 和∨1S 与最

大的逻辑0和1的信号幅值∧0S 和∧1S 必须是由位线上选定的存储

单元所产生的。

（2） 设定的预充值电压PR V 和初始的直流工作电压PR i V v =)0(，对于对

称的逻辑“0”与“1”范围PR V 为

2)0(21∧∨-=

=S S v V i PR ， （3） 灵敏放大器所需的最小增益∨A

∧∨∧∨∨--=010

1S S L L A

这里∨1L和∧0L分别是外围电路输入端所要求的最小和最大逻辑1电平。

在灵敏放大器的设计中，其工作区间是最重要的，它与速度要求、功耗和可靠性一起决定了所设计的灵敏电路的复杂程度和物理面积。在灵敏电路中，区别其内部工作区间主要有以下要素：

（1）供电电压

（2）阈值电压降

（3）漏电流

（4）电荷耦合

（5）失调电压

（6）其它特殊的影响

（7）预充电压变化水平

此外，工作区间还受到如下参数的影响：

（A）半导体工艺

（B）温度的变化

（C）电压偏置情况

(D) 放射性辐射

由于受到A,B,C,D参数变化影响上面的（1）至（7）项都有一个最大值。这些变参数的最大值必须考虑到，因为它们可能导致最坏情况的逻辑0和1工作范围（图3.4）。这里以及下面的工作范围的分析是用电压表示的，但是这种用电压描述的概念也可使用电流或电荷来说明工作范围。

图3.4 N沟道器件（a）和p沟道器件（b）中决定工作区间的主要

因素

在某温度（图3.5a）或一定的辐射强度下会出现相应的逻辑电平“0”或“1”或工作区间。在灵敏电路设计中将预定工艺、偏压和环境条件下会出现的最坏工作区间考虑进去可以有效地避免进入非工作区间。此外，特定的设计工艺可以大大提高工作区间的范围，例如通过自举电路提高字线驱动器的输出电压来消除阈值压降的影响，

而且还可以通过将灵敏电路中的两极板间的电压固定到有效的逻辑电平“0”和“1”范围的中心位置来匹配不同逻辑电平“0”和“1”范围。

图3.5 工作区间的范围的减少和消失

灵敏放大器必须工作在给定的工作区间的范围条件下。接下来的部分将会讨论决定工作区间的主要因素。

3.1.3 决定工作区间的因素

计算决定灵敏电路的内部工作区间的主要参数时必须以最坏的电气参数为基础。这里最坏的参数是指导致灵敏电路逻辑“0”或“1”下降到最大程度时的参数值。为了确定最坏的工作区间范围，主要的电压参数用一下方法获得。

3.1.3.1 供电电压

确定工作区间范围时，初始电压应为最小的供电电压