一種新型BiCMOS靈敏放大器設(shè)計

馬利峰，王浩然（電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都　610054）

一種新型BiCMOS靈敏放大器設(shè)計

馬利峰，王浩然
（電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都610054）

本文設(shè)計了一種應用于反熔絲型OTP存儲器的新型BiCMOS靈敏放大器電路。本設(shè)計的電路運用了BiCMOS技術(shù)，以運放結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合預充電和放電控制機制，能夠?qū)⒕幊毯蟪矢咦杩範顟B(tài)的反熔絲成功讀出為導通狀態(tài)。最后，在TSMC公司的0.18 μm工藝庫下進行Spectre仿真，仿真結(jié)果顯示最大讀取時間僅為13 ns，同時仿真結(jié)果驗證該靈敏放大器具有讀取速度快，讀取數(shù)據(jù)穩(wěn)定以及準確性高的特點。

BiCMOS；靈敏放大器；預充電；反熔絲

反熔絲型存儲器屬于一次可編程（OTP one time programmable）存儲器［1］，與傳統(tǒng)的浮柵型存儲器件相比較而言，反熔絲型存儲器具有很好的保密性以及優(yōu)良的抗輻照性能，因此反熔絲型存儲器在保密要求高、只需要一次編程等的場合，比如航空航天、太空系統(tǒng)等的應用非常廣泛。反熔絲型存儲器的基本原理是利用其編程前后表現(xiàn)出來的導電能力的巨大差異來分別表示“0”和“1”兩種狀態(tài)。理想情況下，反熔絲編程前保持在斷開狀態(tài)，而編程后顯示為連通狀態(tài)［2］。數(shù)據(jù)讀取速度作為存儲器性能的一項非常重要的指標，因此提高存儲器的讀取速度就顯得非常重要，OTP存儲器的讀取速度主要由讀出電路中的靈敏放大器來決定的。靈敏放大器是OTP存儲器的關(guān)鍵部件之一，其讀取速度直接決定了存儲器的讀取時間，靈敏放大器的讀取準確性決定了存儲器讀取的準確性，因此靈敏放大器性能對設(shè)計要求非常高。然而，傳統(tǒng)的靈敏放大器運用的是CMOS電路，具有功耗低、集成度高等特點，但就讀取速度來說遠遠不如雙極型器件。為了提高讀取速度，近年來BiCMOS電路越來越多的被應用于電路設(shè)計中。BiCMOS技術(shù)是Bipolar技術(shù)與CMOS技術(shù)的結(jié)合，它是以CMOS器件作為基本的電路結(jié)構(gòu)，而在要求高速或大負載的部分，加入雙極型器件或電路，因此BiCMOS電路同時兼具了CMOS電路高集成度、低功耗的優(yōu)點和雙極型電路高速、強電流驅(qū)動能力的優(yōu)勢［3］。

因此，本文設(shè)計了一種應用于OTP存儲器的新型BiCMOS靈敏放大器，保證了快速而準確的讀取操作，并且具有抗噪聲，抗干擾能力強的優(yōu)勢。

1　BiCMOS靈敏放大器的電路結(jié)構(gòu)及其工作機理

1.1電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示是BiCMOS靈敏放大器的完整電路結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)包含了BiCMOS運放結(jié)構(gòu)：兩個雙極型器件Q1、Q2構(gòu)成的差分對，兩個NMOS管N10、N11構(gòu)成的電流鏡，一個電流控制管N12；還包含一個P型MOS管P1構(gòu)成的預充電結(jié)構(gòu)；另外還有3個電流通路CH1、CH2、CH3；其中PMOS器件P2和NMOS器件N2、N3構(gòu)成電流通路 CH1，NMOS器件N3、N4、N5、N6、N9構(gòu)成了電流通路 CH3，PMOS器件P2和NMOS器件N7、N8、N9構(gòu)成電流通路CH2。運放的下一級接的是兩個經(jīng)過特殊設(shè)計的具有特殊翻轉(zhuǎn)閾值的CMOS反相器以保證運放的輸出電平可以被轉(zhuǎn)換為正確的邏輯電平，反相器后一級接一個特殊結(jié)構(gòu)的DICE鎖存器，通過調(diào)整DICE和讀取信號的時間差，可以保證穩(wěn)定正確的輸出。對于反熔絲結(jié)構(gòu)，經(jīng)過實驗驗證，反熔絲結(jié)構(gòu)可以通過并聯(lián)一個電阻和一個電容來示意?？刂菩盘朇TR1由“0”翻轉(zhuǎn)為“1”即由0 V翻轉(zhuǎn)為3.3 V后，若需要讀取某個反熔絲單元的信息，則OPT信號置“0”選中某個反熔絲單元，從而整個靈敏放大器開啟，適當調(diào)整DICE鎖存器的控制信號CTR2，CTR3的開啟時間，在鎖存器前一級的輸出信號temp穩(wěn)定后DICE開啟，則可以保證讀出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定正確。

1.2工作機理

如圖1所示，P2作為反熔絲器件的選擇管，用于決定是否選中該位線上的反熔絲結(jié)構(gòu)，本文假定OPT信號在靈敏放大器CTR1為高電平開始工作1 ns后轉(zhuǎn)換為低電平，此時該反熔絲單元被選中；Q1、Q2和N10、N11構(gòu)成典型的差分運放結(jié)構(gòu)，完全對稱的雙極型器件PNP管Q1、Q2構(gòu)成差分對，N10、N11構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，N12作為為運放結(jié)構(gòu)的電流源同時控制運放結(jié)構(gòu)是否工作。當Q1、Q2兩側(cè)節(jié)點Y1、Y2形成一定的電壓差時，運放結(jié)構(gòu)輸出穩(wěn)定的高電平或者低電平，繼而被后面的反相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳倪壿嬰娖?。在反熔絲OTP存儲器的靈敏放大器中，差分電壓的形成起了非常重要的作用，文中的靈敏放大器的差分電壓是由電流通路CH1、CH2、CH3來決定的［4］。

圖1　BiCMOS靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)

電路工作時首先進入預充電狀態(tài)［5］，圖1中輸入控制信號CTR1是靈敏放大器的啟動信號，當CTR1為低電平時，預充電管P1管開啟，N12管關(guān)閉，從而將節(jié)點COUT置為高電平，此時靈敏放大器不工作，鎖存器控制信號CTR2，CTR3無效。同時當信號CTR1為低電平時，通路CH1和CH2均為關(guān)斷狀態(tài)。當CTR1轉(zhuǎn)換為高電平時，P1管關(guān)閉，N12管開啟，此時運放結(jié)構(gòu)有了一個穩(wěn)定的電流，因此靈敏放大器開始工作，通過反熔絲結(jié)構(gòu)的放電電流大小不同，結(jié)合該運放結(jié)構(gòu)，可以得到不同的輸出電平，從而將反熔絲的編程或者未編程兩種狀態(tài)表現(xiàn)為高低電平的輸出。接下來分析節(jié)點Y1、Y2形成電壓差的過程。在Y1、Y2兩個節(jié)點的電壓差形成過程中，NMOS管N8是形成邏輯通路決定電壓差的關(guān)鍵器件。

在反熔絲成功編程后，擊穿后的反熔絲表現(xiàn)為一個大電阻，此時流過存儲單元R1的電流比較大，N8管的源極節(jié)點S的電壓由NMOS管N3、N4、N5、N6、N9進行分壓得到，N8管的柵漏短接，柵極節(jié)點D的電壓由電阻R1，MOS管P2、N8降壓得到，由于R1較小，因此節(jié)點D分得的電壓比較大，柵源電壓能夠達到NMOS的開啟電壓，此時N8管正向?qū)?，電流通路CH1和CH2均開啟，經(jīng)過存儲單元與各個NMOS管的分壓，節(jié)點Y2比節(jié)點Y1高出了一定的電壓，差分運放中電流鏡負載管尺寸相同，差分輸入管尺寸相同，以保證對稱，所以當VY2＞VY1時，節(jié)點COUT迅速被穩(wěn)定在高電平。

當反熔絲未編程時，反熔絲的性質(zhì)決定了其表現(xiàn)為一個電容或者開路，流過存儲單元的電流非常小，此時N8管的柵極節(jié)點D分壓變小，柵源電壓就比較小，未達到開啟電壓，因此只有通路CH1打開，通路CH2中因為N8管反向截止，所以通路CH2斷路。此時節(jié)點Y1的電壓由NMOS器件N3、N4、N5、N6進行分壓得到，分壓以后，VY1＞VY2時，節(jié)點COUT迅速被穩(wěn)定在低電平。

P型MOS管P2用來控制反熔絲是否被選中，在某些研究中，此處采用的為N型器件［6］，然而在靈敏放大器同時控制許多個反熔絲單元讀取的情況下用P型器件會比N型更有利。若采用N管控制（假設(shè)為NM），則OPT信號跳為高電平時打開NM，但NM管不會立刻打開而是需要等待源極放電到源極電壓比柵壓低一個閾值電壓后才會開啟。同時大量并聯(lián)的反熔絲會帶來較大的位線電容［7］，這些電容包括存儲單元本身的柵極電容以及與反熔絲單元相接的控制管的結(jié)電容等。假若控制管的尺寸大到一定程度，其影響便不可忽略。根據(jù)公式（1）

可得

假設(shè)電流為100 μA，平均每個反熔絲單元對COM點帶來的電容C1為10 fF，當放大器同時連接256個反熔絲時，計算得電壓下降一個閾值電壓計算所需的時間為25.6 ns，這在靈敏放大器正常工作時是不能容忍的。而運用P型器件則不會出現(xiàn)此類問題，OPT信號轉(zhuǎn)為低電平后P2會立刻打開。

為了保證讀取操作的準確無誤，使讀出的數(shù)據(jù)真實可靠，提高存儲器的可靠性，在讀取通路上采用了DICE采樣鎖存電路。DICE鎖存結(jié)構(gòu)通過采用單管反相器構(gòu)成反饋環(huán)，穩(wěn)定性很高。在讀脈沖的控制下，DICE電路起到過濾無效信號，鎖存有效信號的作用。DICE鎖存器，采用了特殊的四點冗余的結(jié)構(gòu)，將兩個交叉反相器對連接成雙向反饋反相器，形成互鎖結(jié)構(gòu)［8］，保證了溫度等外界干擾對電路的影響很小。鎖存器的采樣信號的有效時間比運放的輸出信號延遲一定的時間，這就保證了讀出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，并消除了毛刺，大大減少了讀取通路上數(shù)據(jù)被破壞的可能性，提高了存儲器的抗噪聲，抗干擾的能力。

對于讀出信號可以識別的反熔絲電阻的阻值范圍，因為阻值主要決定了反熔絲的放電電流的大小，不同的放電電流會導致N8管的狀態(tài)和通路的分壓不同，為了提高可以識別的電阻阻值，可以通過調(diào)整節(jié)點Y2、Y1的電壓，即通過對器件尺寸進行調(diào)節(jié)來改變，比如減小N9管尺寸，在讀反熔絲未編程時VY1電壓會上升；或者增大N1、N2管的尺寸，節(jié)點VY2的電壓降低。因此通過調(diào)節(jié)器件的尺寸，可以調(diào)節(jié)可讀通電阻的臨界值Rcritical和靈敏放大器的讀取數(shù)據(jù)的時間，下面通過仿真進行說明。

2　仿真結(jié)果

文中利用的是Cadence軟件的Spectre仿真工具進行電路仿真。首先，通過對運放的仿真，運放結(jié)構(gòu)的輸出temp在10 ns左右后會達到幾乎穩(wěn)定的狀態(tài)，因此調(diào)整DICE鎖存器的控制信號CTR2、CTR3有效時間，使得其比靈敏放大器的有效時間延遲約10 ns，從而能鎖存到穩(wěn)定的讀出信號，因此能保證讀出信號的穩(wěn)定正確。加給各激勵信號波形圖如下圖2所示：

電路中的幾個重要器件大小設(shè)置為：

2.1可讀通電阻臨界值

電源電壓取3.3 V，將反熔絲結(jié)構(gòu)電阻設(shè)為參數(shù)r，利用Cadence軟件的Spectre仿真工具對參數(shù)r進行瞬態(tài)分析，電路輸出OUT的spectre仿真波形結(jié)果如圖3所示。

圖2　各個控制激勵信號

圖3　可讀通電阻臨界值仿真波形

在圖3中，可以看到可讀通的電阻臨界值Rcritical為85左右［4］，當電阻達到或者超過85 kΩ時，讀出數(shù)據(jù)的電平發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。通過實驗測試驗證，85 kΩ的阻值已經(jīng)完全能夠滿足反熔絲擊穿后的電阻特性，因此電路器件的尺寸設(shè)計達到了實際要求。要提高可讀通電阻的阻值范圍可以通過降低反相器INV1的閾值電壓的方法。為了讀出穩(wěn)定電平，DICE鎖存器的控制信號比前一級放大器的開啟信號滯后10 ns，以便鎖定穩(wěn)定正確的數(shù)值。

2.2新型BiCMOS靈敏放大器的讀出速度

由于衡量存儲器性能的主要指標是其對數(shù)據(jù)的讀取時間，OTP存儲器的讀取時間指的是從接收到地址信號的上升沿到數(shù)據(jù)信號穩(wěn)定輸出的整個過程的延遲時間，本文選用BiCMOS運放結(jié)構(gòu)的靈敏放大器，與傳統(tǒng)的CMOS型靈敏放大器相比，BiCMOS結(jié)構(gòu)可以大大提高靈敏放大器的讀取速度。Rcritical為85 kΩ時可以滿足反熔絲擊穿后的阻值范圍，因此參數(shù)的設(shè)置就按上文中所述的參數(shù)。

首先驗證反熔絲成功編程，呈現(xiàn)一個電阻時，靈敏放大器讀信息“1”的時間。

設(shè)R=1 kΩ，電路響應的波形如圖4所示：其中temp信號為鎖存器前一級輸出信號，從圖中可以看出從控制信號變化到讀出穩(wěn)定高電平輸出的時間約為13 ns。

接下來研究反熔絲未編程，呈現(xiàn)一個電容時，靈敏放大器讀取信息“0”的時間。

設(shè)R=10 MΩ，經(jīng)過仿真，電路輸出波形如圖5所示。

從圖中可以看出讀出“0”信號的時間約為8 ns，因而得到新型BiCMOS靈敏放大器的最慢讀取時間為13 ns，讀取速度相比以往的CMOS靈敏放大器有了巨大的提高，同時結(jié)合DICE鎖存結(jié)構(gòu)，讀出的結(jié)果更加穩(wěn)定準確。

圖4　“1”信號的讀出時間

圖5　“0”信號的讀出時間

3　結(jié)　論

本文介紹一種結(jié)合了BiCMOS運放結(jié)構(gòu)、預充電結(jié)構(gòu)和DICE鎖存器結(jié)構(gòu)的靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)的電路組成及工作機理作了詳細的分析，并通過仿真驗證了分析的正確性。仿真結(jié)果證明電路能夠?qū)⒋笞杩狗慈劢z單元順利讀出為導通狀態(tài)，另外，通過電路中關(guān)鍵器件的尺寸的選擇可改善放大器的電阻可讀出性，通過DICE鎖存器結(jié)構(gòu)可以增加讀出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

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A new design of BiCMOS sense amplifier

MA Li-feng，WANG Hao-ran
（School of Microelectronics and Solid-state Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

In this paper，a new type of BiCMOS sense amplifier for the antifuse OTP memory was proposed.This sense amplifier consisted of operational structure，precharge and discharge control circuits.And it used the BiCMOS technology. This amplifier could successfully detect the antifuse which was programmed and still had very high resistance.Finally，the simulation was implemented with the library of TSMC 0.18um process and the tools of this process was Spectre simulator.The simulation result showed that the access time of this sense amplifier was only 13 ns，and indicated that the sense amplifier had very excellent performances in speed，stability and accuracy.

BiCMOS；sense amplifier；precharge；antifuse

TN433

A

1674－6236（2016）11-0173-04

2015-06-22稿件編號：201506200

馬利峰（1988—），男，河南偃師人，碩士研究生。研究方向：超大規(guī)模集成電路設(shè)計。