高速低功耗电流型灵敏放大器的设计

作者：时间：2011-03-31来源：网络收藏

摘要：提出了一款适合在低电压、大容量SRAM中应用的高速低功耗电流型灵敏放大器。该电路在交叉耦合反相器之间添加了一对隔离管，有效消除了大量位线寄生电容所带来的负面影响，从而极大提高了灵敏放大器的速度。同时，通过对时序控制电路的优化，有效降低了放大器的功耗。采用SMIC 0．13 μm数字工艺在HSpice下进行仿真，结果表明：在室温，1．2 V工作电压下，灵敏放大器的放大延迟仅为0．344ns，功耗为102 μW。相比文献中提出的电流型灵敏放大器，速度分别提高了9．47％和31．2％，功耗则降低了64．8％与63％。
关键词：电流型灵敏放大器；交叉耦合反相器；隔离管；时序控制电路

0 引言
静态随机访问存储器(SRAM)最初作为CPU与内存之间的缓存。近年来已广泛应用于高性能通信网络、便携式设备以及SOC系统中，呈现出向高速器件与低功耗性能方向发展的趋势。因此，设计高速低功耗的SRAM已成为现在SRAM技术的主流方向。灵敏放大器是SRAM的重要组成部分，它将位线上的微小信号差迅速放大到全摆幅模式，从而有效减小数据的读出延迟，同时由于不需要对位线电容完全充放电，因此也在某种程度上降低了功耗。所以，对高性能灵敏放大器进行设计是得到高速低功耗SRAM的一个有效途径。根据对位线上要进行处理的信号类型的不同，灵敏放大器可分为电压型灵敏放大器和电流型灵敏放大器。由于电流型灵敏放大器直接检测位线上的电流变化，不需要转化为电压信号，因此在速度上更具有优势，可满足高速的要求。针对不同的应用层面，目前出现了多种电流型灵敏放大器的设计结构：有源负载PBT结构，其优点是输出不受电源电压及偏置电压的影响；基于电流镜结构的电流灵敏放大器，可以应用在低压非易失存储器中；为了消除位线噪声电流，而提出的采用位线漏电流补偿技术的电流型灵敏放大器；单端伪差分电流灵敏放大器，旨在改善SRAM读出操作时的稳定性及延迟；为降低功耗而提出的由两级放大(全局和局部放大)构成的全电流模式灵敏放大器以及APD灵敏放大器。
本文在分析目前广泛应用的电流型灵敏放大器的基础上，提出了一种改进型的结构，以提高灵敏放大器的速度为主要目标，兼顾考虑功耗，以实现速度和功耗之间合理的折衷。

1 传统的电流型灵敏放大器
传统的电流型灵敏放大器是由4个晶体管构成的交叉耦合反相器单元，位线信号从漏极输入，经正反馈放大，再由漏极输出，电路如图1所示。灵敏放大器有2个工作阶段：预充电和信号放大阶段。预充电时，2个上拉P管将位线电压拉至VDD，同时平衡管(M3)开启，使位线电压近似相等；当灵敏放大器使能信号有效时，便进入放大阶段，检测到位线上电流的变化差值并放大输出。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/187567.htm

2 改进的电流型灵敏放大器
上述分析的灵敏放大器的输入和输出共用同一个端口，容易相互产生串扰，造成输出结果错误，并且当该端口作为输出端时，由于位线寄生电容较大，会浪费部分时间在对该电容进行充放电上，由灵敏放大器的延迟公式即式(1)可以看出，当位线电容Cbit增大时，延迟Td也将变大，不利于高速灵敏放大器的设计。所以可在原有电路结构的基础上添加一对隔离管，并对外围电路做一改进，具体结构如图2所示。