容偏差靈敏放大器研究與實現(xiàn)?

張 立 姚 榮 方 華

（上海高性能集成電路設(shè)計中心 上海 201204）

1 引言

靈敏放大器（Sense Amplifier，SA）是數(shù)據(jù)Cache的關(guān)鍵部件之一，它在整個數(shù)據(jù)Cache 電路的功能、性能和可靠性方面起著不可忽視的作用［1］。其工作原理是在數(shù)據(jù)Cache 訪問存儲單元中信息時，放大存儲單元位線上的小差分信號；它所起到的作用有縮短數(shù)據(jù)Cache 的讀取操作時間、減小位線電壓的擺幅、提高讀取速度同時降低功耗［2～3］。

在通常情況下，數(shù)據(jù)Cache 存儲單元兩條位線上的放電擺幅比電源電壓要低，這中設(shè)計能夠很好地降低由于位線的充放電而帶來的時序延時和功耗。如果在存儲陣列的內(nèi)部，即使很小的信號擺幅也可以有很大的噪聲容限，然而它連接存儲陣列外部電路時，兩位線上的電壓擺幅太小，只能將其分別放大到高電平“1”和低電平“0”。如此可以使外部電路順利地讀出數(shù)據(jù)Cache 存儲單元中的內(nèi)容，可以保證輸出結(jié)果的正確性［4～5］。一般情況下，兩個輸入信號為兩條位線的電壓信號，并且它們之間的高低電平相差很小，而兩個輸出信號則是標準的高低電平邏輯信號，如圖1 所示，圖中Vin1和Vin2為兩輸入信號，Vout1和Vout2為兩輸出信號。

圖1 靈敏放大器輸入輸出信號變化圖

另一方面，隨著集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，存儲陣列容量的不斷增加，芯片集成度的不斷增高，數(shù)據(jù)Cache 的設(shè)計工作將越來越具挑戰(zhàn)性。由于存儲單元器件的充電、放電能力比較弱，所以當數(shù)據(jù)Cache 對存儲單元進行讀取數(shù)據(jù)操作時，位線電壓的擺幅變化會比較小，并且需要花費很長的時間才能使位線上的電壓達到能夠驅(qū)動器件的擺幅。這時數(shù)據(jù)Cache 中的靈敏放大器就可以充分發(fā)揮出它的作用了［6］。所以，靈敏放大器應(yīng)有以下幾個特性［7］：

1）可以從數(shù)據(jù)Cache的bitcell中檢測到微小的差分信號，并且放大到高電平“1”和低電平“0”，進而保證讀出數(shù)據(jù)的有效性。

2）因為位線上的耦合電容會很大程度上影響訪存速度，所以靈敏放大器應(yīng)該具備降低或消除這種耦合電容的能力。

3）高增益的靈敏放大器能夠降低位線上的電壓擺幅，進而大幅度降低數(shù)據(jù)Cache 的工作功耗以及提升其讀取速度。

本文將基于先進工藝，完成一款低功耗容偏差型靈敏放大器的研究與設(shè)計，以滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)Cache的讀取數(shù)據(jù)需求。

2 靈敏放大器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的SA結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 靈敏放大器結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的SA 結(jié)構(gòu)為電壓鎖存型，如圖2 所示。其中，P管M6為預充平衡管，在預充時平衡BL和BL_bar的電壓。P管M7和M8為預充管，負責預充BL 和BL_bar 以及復位SA。P 管M4 和M5 為去耦管，負責SA 工作時分離輸入輸出，并減小BL 和BL_bar 上的耦合電容。M0、M1、M2、M3 為互補反相器對，即為鎖存器。M11、M12、M13、M14 為dout和dout_bar 輸出反相器，讓輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并提升其驅(qū)動能力。N 管M9、M10 為開關(guān)管，由信號SAEN控制。

電壓鎖存器型靈敏放大器工作時分為四個階段［8～9］：

1）預充：當prech信號有效時，通過預充管對位線（BL）和位線非（BL_bar）充電到電源電壓VDD，V1和V2點也預充到高電平VDD，SA復位。

2）第一階段：字線（WL）開啟，打開的bitcell（存“0”節(jié)點）下拉位線BL 或者BL_bar，相應(yīng)另一側(cè)會維持電源電壓，當下拉至位線差為120mv 左右時，電壓差傳遞至V1 和V2 點為100mv 左右，SAEN 信號有效，SA開始工作。

3）第二階段：SAEN 信號為“1”時，SA 開始工作，M4、M5關(guān)閉，隔離位線耦合電容，V1和V2點維持原先的電壓差（100mv），M9、M10 開啟，V1 和V2點同時被M0和M2兩N管下拉，直到PMOS開啟。

4）第三階段：PMOS 開啟，V1、V2 電壓低的一方，控制的PMOS 優(yōu)先開啟，并對另一方進行電流回充，由正反饋形成快速的放大作用。

3 物理實現(xiàn)

容偏差靈敏放大器的版圖設(shè)計如圖3 所示，在規(guī)劃此版圖設(shè)計的時候應(yīng)注意以下幾點：

1）整體布局都應(yīng)相互對稱，采用半邊設(shè)計，再鏡像調(diào)用；

2）敏感器件（圖中虛線部分）采用中心對稱的方式設(shè)計，從物理設(shè)計上保證SA的內(nèi)部平衡性；

3）敏感器件用屏蔽線（接VSS）包圍，增強SA的整體抗干擾能力，這也是其容偏差型的一大保證；

4）放大管采用大于兩倍最小管長的方式設(shè)計，以增加該結(jié)構(gòu)的抗工藝偏差能力，這點將在下一章節(jié)中重點予以分析；

5）采用非最小規(guī)則進行版圖設(shè)計，雖然該SA的整體設(shè)計面積不是很大，但其內(nèi)關(guān)鍵信號間的走線都應(yīng)拉開足夠大的距離，避免互相之間產(chǎn)生串擾影響SA的工作效率［10～11］。

圖3 容偏差靈敏放大器晶體管布局

對該結(jié)構(gòu)的靈敏放大器單獨進行10000 次Monte Carlo 后仿分析（基于40nm 工藝），分別在125℃/0.72V、85℃/0.8V、25℃/0.88V 這三種條件下，每種分析2 種差分輸入（10mv 和20mv）。進而測量該靈敏放大器fire（saen有效）后到數(shù)據(jù)輸出端的延時，即SA的自身延時；另一方面檢測該靈敏放大器是否能在當前環(huán)境下將信號準確放大，即SA 在各情況下的良率。仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 容偏差靈敏放大器Monte Carlo仿真數(shù)據(jù)表

從以上數(shù)據(jù)可以得出：

1）新工藝下的該靈敏放大器單獨工作在20mv差分輸入時Monte Carlo分析良率達到100.00%；

2）在以上幾種情況下該結(jié)構(gòu)的靈敏放大器在差分電壓為10mv 時，蒙特卡洛仿真都或多或少的有Failed情況出現(xiàn)；

3）該靈敏放大器性能受差分電壓的影響很明顯，差分電壓越大，其自身延時越小、速度越快、抗偏差能力越強；

4）溫度的降低和電壓的升高，都會降低該靈敏放大器的工作效率以及良率。

4 容偏差分析

隨著工藝水平的不斷發(fā)展，工藝進入了納米尺度，隨機摻雜波動（Random Dopant Fluctuation）等工藝偏差（Process Variation），及噪聲影響愈加明顯，嚴重影響著靈敏放大器的性能、可靠性［12］。對容偏差設(shè)計方法的研究分析已是存儲器設(shè)計中一項重點［13］。因此對于靈敏放大器的容偏差研究，即設(shè)計一款可靠性高的靈敏放大器是數(shù)據(jù)Cache 設(shè)計研究中的重中之重［14～15］。

下面將基于40nm工藝的HSPICE仿真數(shù)據(jù)，對本文設(shè)計的靈敏放大器在完整數(shù)據(jù)Cache（包含bitcell的放電時間）中進行讀數(shù)容偏差分析。

表2 L=80nm、slope=100ps條件下電壓型放大器的時序開銷和良率表

通過Hspice 仿真，在高電平電壓VDD=0.85V，溫度T=75℃的前仿條件下，當放電管溝道長度設(shè)置為2 倍最小管長L=80nm，信號saen 的變化斜率slope=100ps時，得到的時序開銷和仿真良率在不同的差分電壓下如表2 所示，當差分電壓降到30mv的時候，良率開始出現(xiàn)問題。

表3 L=40nm、slope=100ps條件下電壓型放大器的時序開銷和良率表

在高電平電壓VDD=0.85V，溫度T=75℃的前仿條件下，當放電管溝道長度設(shè)置為最小管長L=40nm，信號saen的變化斜率slope=100ps時，得到的時序開銷和仿真良率在不同的差分電壓下如表3所示，當差分電壓降到50mv的時候，良率就出現(xiàn)問題，可見管長的增加有利于抗工藝偏差。

表4 L=40nm、slope=20ps條件下電壓型放大器的時序開銷和良率表

在高電平電壓VDD=0.85V，溫度T=75℃的前仿條件下，當放電管溝道長度設(shè)置為最小管長L=40nm，信號saen 的slope=20ps 時，得到的時序開銷和仿真良率在不同的差分電壓下如表4 所示，當差分電壓降到50mv的時候，良率出現(xiàn)問題，但由于信號saen 變化斜率slope 的減小，良率進一步下降。信號saen 的slope 改善，反而降低了良率，由此可見，信號saen的slope變緩，可以抗電位偏移。

綜上所述，放電管的溝道長度L 和saen 信號的slope 值都將影響整個靈敏放大器的可靠性。溝道長度越長、saen 信號的變化斜率越大，靈敏放大器的抗偏差性越好，其可靠性越高。在數(shù)據(jù)Cache 中該結(jié)構(gòu)的靈敏放大器在差分電壓100mv 時各情況均能正常工作，且良率為100.00%，可靠性得到保證，工作頻率超過2.5GHz。

表5 兩種鎖存器型靈敏放大器仿真結(jié)果對比表

將該結(jié)構(gòu)的靈敏放大器與一般電流鎖存器型靈敏放大器進行性能比較，如表5 所示，可以發(fā)現(xiàn)本文中的SA 性能有明顯優(yōu)勢，響應(yīng)速度比后者將近快40%；且可靠性也很有優(yōu)越性，后者在差分電壓為50mv 的時候就已經(jīng)開始出錯，可以說本文中的SA 在30mv 差分電壓下的性能相當于后者在50mv差分電壓下的性能。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款新工藝下的容偏差靈敏放大器結(jié)構(gòu)，采用全定制的方法實現(xiàn)，上層數(shù)據(jù)Cache可直接調(diào)用該結(jié)構(gòu)進行讀寫數(shù)據(jù)處理，具有可控性強、靈敏度高、抗工藝偏差能力強等優(yōu)點。對該結(jié)構(gòu)進行了電路層次和版圖層次的簡單分析，并對其單獨工作時最優(yōu)差分電壓的探索，由實驗表明其能在差分電壓為20mv 下良率達到100.00%，且在同環(huán)境下與電流鎖存器型靈敏放大器進行性能比較。最后通過該結(jié)構(gòu)在完整數(shù)據(jù)Cache 中Hspice仿真分析，證明該靈敏放大器為容偏差型，可靠性進一步得到保障，能夠滿足數(shù)據(jù)Cache 2.5GHz的工作頻率需求。