CN102122525A - 一种阻变存储单元读出放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻变存储单元读出放大电路，目的是提供一种新型阻变存储单元读出放大电路，降低干扰电流对读操作的影响，降低整体直流功耗，提高参考电压产生电路的精确性。本发明由比较读出级和参考电压产生电路组成，比较读出级由N个读出位组成，N个读出位与阻变存储单元阵列位线一一对应，参考电压产生电路由M个分压元件和一个运算放大器组成；每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成；参考电压产生电路中的每个分压元件均为电容，电容采用串联的方式，运算放大器的正向输入端与一个分压点相连。采用本发明可降低误读率，降低整体直流功耗，提高参考电压产生电路输出参考电压的精度。

Description

一种阻变存储单元读出放大电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域阻变存储单元阵列外围的读出放大电路，具体涉及一种用直流增益变化来采样阻值变化，用可控电容分压器来产生参考电压的读出放大电路。

背景技术

非易失性存储器是一种能在掉电后仍保存原有存储信息的存储器，在现代电子系统中得到了广泛的运用。非易失性存储器种类繁多，阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)是其中的一种。由于阻变存储器具有超高的存储密度、结构简单、速度快和非易失性的特点，应用前景十分广阔。

阻变存储单元阵列是阻变存储器的核心，由大量的阻变存储单元按照一定的空间结构组成。交叉电极结构是一种典型的阻变存储单元阵列结构，其集成度较高、兼容主流的微电子工艺。交叉电极结构为两层相互垂直交叉的平行纳米线，形成一个网格。在每个交叉点处形成一个阻变存储单元，阻变存储单元以高阻态和低阻态分别表示逻辑“0”和“1”。图1是交叉电极结构阻变存储单元阵列物理结构示意图。阻变存储单元由顶电极、底电极和中间插入的阻变材质组成，图2是其横截面示意图。图3为阻变存储单元的电压和电流关系示意图，其中虚线为高阻态存储单元的I-V曲线，实线为低阻态存储单元的I-V曲线。阻变存储单元两端的电压达到或超过高阻态转换电位A点电压值时，阻变存储单元转变为高阻态，阻变存储单元两端的电压达到或超过低阻态转换电位B点电压值时，转变为低阻态。阻变存储单元两端的电压在A点电压值和B点电压值之间时阻态不发生转变。利用阻变存储单元的这个特性，通过改变外加电压的大小来改变阻变存储单元的阻态从而实现信息的写入；读取数据时，在阻变存储单元两个电极上施加读取电压，通过检测阻变存储单元阻态，实现信息的读取。为了检测分辨阻变存储单元的阻态，将流过阻变阻变存储单元的电流信号转变为电压信号进行读出放大是一种有效的方式。

图4是一种典型的读出放大结构，WL₁为阻变存储阵列的第一字线，WL₂为阻变存储阵列的第二字线，……，WL_j为阻变存储阵列的第j字线，……，WL_P为阻变存储阵列的第P字线，BL₁为阻变存储阵列的第一位线，BL₂为阻变存储阵列的第二位线，……，BL_i为阻变存储阵列的第i位线，……，BL_N为阻变存储阵列的第N位线，N为阻变存储单元阵列的位线数目，P为阻变存储阵列字线的数目，P和N均为正整数。该读出放大结构由比较读出级、参考电压产生电路两部分组成。其中比较读出级由N个读出位组成，分别对应阻变存储单元阵列的N个位线，即第一读出位对应第一位线，第二读出位对应第二位线，以此类推。每个读出位均由负载电阻、电压比较器组成，第一读出位的负载电阻的一端连接阻变存储单元阵列的第一位线和第一读出位的敏感放大器的正向输入端，另一端接地，第一读出位中的敏感放大器的反相输入端连接参考电压产生电路的输出端V_ref，第一读出位的输出V_out1连接到外部输出；第二读出位至第N读出位中负载电阻和敏感放大器的连接方式与第一读出位类似，即每个读出位的负载电阻的一端与该读出位对应的位线和该读出位中的敏感放大器的正向输入端相连，另一端接地，每个读出位的敏感放大器的反相输入端连接参考电压产生电路的输出端V_ref，每个读出位的输出端接外部输出。参考电压产生电路由M个分压元件和运算放大器组成，M为正整数，每个分压元件均为电阻，M个分压元件采用串连方式连接，每两个分压元件的结合部形成一个分压点，分压点的电位可计算得出，根据电路的需要，选择合适的分压点(图中以A点表示)。运算放大器的正向输入端连接一个分压点如A点，运算放大器的输出端V_ref与其反相输入端相连形成一个电压跟随器，用以提高驱动能力。参考电压产生电路的输出端V_ref连接到比较读出级中每个读出位的敏感放大器的反相输入端，用以提供参考电压。

这种典型的读出放大电路对阻变存储单元rm₀进行读操作时，在第一字线WL₁上加读取电压，第一位线BL₁接地，第一读出位的电压比较器将第一读出位的负载电阻上的分压与参考电压产生电路的输出电压V_ref比较，当负载电阻上的分压大于V_ref时，放大产生一个二进制输出信号1，即V_out1为1，当负载电阻上的分压小于V_ref时，放大产生一个二进制输出信号0，即V_out1为0，从而实现对阻变存储单元rm₀阻态的读取。其他存储单元的读出方式与此相同。然而，对于图4的读出放大电路而言，有几个方面的不足将严重影响读出放大电路的性能：

1.无法消除由图1所示的交叉电极结构产生的干扰电流的影响，阻变存储单元阵列容量的增大受到了限制。由于阻变存储单元本身的电学特性和交叉电极结构的特性，使得采用如图4的读出放大电路时无法消除阻变存储单元阵列的位线之间的干扰电流，在阻变存储单元阵列的字线和位线数量增加时，干扰电流将随之增大，从而对阻变存储单元阵列容量的增大造成了限制。其具体产生原因如图6所示，若rm₀单元为高阻态，rm₁、rm₂、rm₃三个单元都为低阻态，在第一字线WL₁上加读取电压，第一位线BL₁接地，读rm₀单元的值时，虚线标明的路径表示流经rm₀的电流，实线标明的路径为潜通路，流过潜通路的为干扰电流。随着阻变存储单元阵列容量的增大，潜通路的数量增加，干扰电流将逐渐趋于严重，导致读出放大电路不能正确地识别阻变存储单元的阻态。

2.读出放大电路的直流功耗较大。由于比较读出级的各个读出位中使用负载电阻作为检测阻变存储单元阻态的元件，从而导致从阻变存储单元阵列的字线到地之间存在直流通路，当阻变存储单元阵列的位线数量增多时导致读操作的直流功耗随之增大。同时，由于参考电压产生电路中使用电阻作为分压元件，导致输入电压V_input对地存在直流通路，产生了较大的直流功耗。以上原因导致读出放大电路整体的直流功耗较大。

3.参考电压产生电路的精确性受到影响。参考电压产生电路的输出电压V_ref的精度对其中的分压元件的匹配精度有较强的依赖性，在集成电路的制备工艺过程中，电阻不易实现精确的匹配，由于参考电压产生电路中使用了电阻作为分压元件，从而降低了参考电压产生电路的精确性。

由于以上缺点的存在，需要对原有的阻变存储单元读出放大电路加以改进，以降低由交叉电极结构和阻变存储单元本身的电学特性产生的干扰电流的影响，进一步降低原有读出放大电路的直流功耗，同时提高参考电压产生电路的精确性。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种新型阻变存储单元读出放大电路，降低由交叉电极结构阻变存储单元阵列本身的电学特性带来的干扰电流对读操作的影响，降低读出放大电路的整体直流功耗，提高参考电压产生电路的精确性。

本发明的技术方案是：

本发明阻变存储单元读出放大电路也由比较读出级和参考电压产生电路组成。比较读出级由N个(N为阻变存储单元阵列位线的数目)读出位组成，分别与阻变存储单元阵列位线一一对应，即第i读出位对应第i位线BL_i，1≤i≤N，。每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成。在第i读出位中，敏感放大器的正向输入端接地，反相输入端与第i位线BL_i相连，敏感放大器的输出端V_oi通过反馈电阻连接到该敏感放大器的反相输入端，电压比较器的反相输入端与敏感放大器的输出端V_oi相连，电压比较器的正向输入端与参考电压产生电路的输出端V_ref相连，电压比较器的输出端V_outi作为第i读出位的输出端连接到外部输出。

参考电压产生电路由M个(M为正整数)分压元件和一个运算放大器组成，每个分压元件均为电容。M个分压元件按照如下方式串连：第一分压元件的输入端IN₁接地，第一分压元件的输出端OUT₁连接到第二分压元件的输入端IN₂，第二分压元件的输出端OUT₂连接到第三分压元件的输入端IN₃，以此类推，第j(1≤j≤M-1)分压元件的输出端OUT_j连接到第j+1分压元件的输入端IN_j+1，第M个分压元件的输出端与基准电压源V_input相连。在第一分压元件的输出端OUT₁与第二分压元件的输入端IN₂接合部产生第一分压点，以此类推，在第j分压元件的输出端OUT_j与第j+1分压元件的输入端IN_j+1产生第j分压点，即在每两个分压元件的接合部产生一个分压点。这些分压元件对基准电压源的电压V_input进行分压，第j分压点的电位V_j满足：

$V_j=\left(\frac{j}{M}\right)\·V_{\mathrm{input}}$ 公式一

记阻变存储单元位于高阻态时读出位中敏感放大器输出端V_oi对应的电压值为V_H，阻变存储单元位于低阻态时读出位中敏感放大器输出端V_oi对应的电压值为V_L。对于给定的电压分辨精度T，电压分辨精度是指一个分压元件所分的最小电压(例如V_input为4V时，采用4个分压元件可以达到1V的电压分辨精度)，存在：

$M=\left(\frac{1}{T}\right)\·V_{\mathrm{input}}$ 公式二

为了使每个读出位中的电压比较器可以有效地区分该读出位中敏感放大器采样输出的阻变存储单元的高阻态和低阻态所对应的电压值，选取的分压点的电位V_j应满足：

$V_j=\frac{V_H+V_L}{2}$ 公式三

由公式一、公式二和公式三得：

$j=\frac{V_H+V_L}{2T}$ 公式四

参考电压产生电路中的运算放大器的正向输入端与选取的第j分压点相连，运算放大器的输出端V_ref连接到该运算放大器的反相输入端，构成一个电压跟随器，运算放大器的输出端V_ref作为参考电压产生电路的输出端与比较读出级中每个读出位中电压比较器的正向输入端相连。

对阻变存储单元rm₀和rm₁的采样过程可用图9中的等效电路来表示，R_Q表示潜通路上的等效电阻，SA₁表示第一读出位的敏感放大器，SA₂表示第二读出位的敏感放大器，V_i1表示敏感放大器SA₁的反相输入端电位，V_i2表示敏感放大器SA₂的反相输入端电位，I₁表示读操作时SA₁的反馈电阻上的电流，I₂表示读操作时SA₂的反馈电阻上的电流，I₃表示读操作时潜通路等效电阻R_Q上的电流，I₄表示读操作时流经阻变存储单元rm₀的电流，I₅表示读操作时流经阻变存储单元rm₁的电流。

在每个读出位中，敏感放大器和反馈电阻构成的反馈结构实现了对阻变存储单元阻态的采样，每个读出位中的电压比较器将采样的信号与参考电压进行比较后放大，形成二进制数字信号输出。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.使用敏感放大器采样阻变存储单元的阻态，利用敏感放大器的输入端零电流的特性，减小了位线之间的干扰电流的影响，从而实现较低的误读率。

2.在比较读出级中利用了敏感放大器的零输入电流的特征，同时参考电压产生电路中分压元件采用了电容，降低了电路的整体直流功耗。

3.由于在集成电路的制备工艺中，电容比电阻更易实现精确的匹配，分压元件采用电容提高了参考电压产生电路输出参考电压的精度。

附图说明

图1是背景技术所述典型的交叉电极结构阻变存储单元阵列物理结构；

图2是图1所示交叉电极结构阻变存储单元的横截面示意图；

图3是图1所示交叉电极结构阻变存储单元阵列中阻变存储单元的I-V特性示意图；

图4是背景技术所述典型的交叉电极结构阻变存储单元读出放大电路结构图；

图5是图4中参考电压产生电路结构图；

图6是图4交叉电极结构阻变存储单元读出放大电路结构中的干扰电流示意图；

图7是本发明阻变存储单元读出放大电路结构图；

图8是图7中参考电压产生电路结构图；

图9是本发明比较读出级中敏感放大器信号采样过程等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明阻变存储单元读出放大电路的结构和工作过程。

图7是本发明阻变存储单元读出放大电路结构图，本发明由比较读出级、参考电压产生电路组成。比较读出级由N个读出位组成，分别与阻变存储单元阵列位线一一对应，即第一读出位对应第一位线BL₁，第二读出位对应第二位线BL₂，以此类推，第N读出位对应第N位线BL_N。每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成。在第i读出位中，敏感放大器的正向输入端接地，反相输入端与第i位线BL_i相连，敏感放大器的输出端(V_oi)通过反馈电阻连接到该敏感放大器的反相输入端，电压比较器的反相输入端与敏感放大器的输出端相连，电压比较器的正向输入端与参考电压产生电路的输出端V_ref相连，电压比较器的输出端V_outi作为第一读出位的输出端连接到外部输出。

图8中参考电压产生电路由M个(M为正整数)分压元件和一个运算放大器组成，每个分压元件由一个电容组成。M个分压元件按照如下方式串连：第一分压元件的输入端IN₁接地，第一分压元件的输出端OUT₁连接到第二分压元件的输入端IN₂，第二分压元件的输出端OUT₂连接到第三分压元件的输入端IN₃，以此类推，第j(1≤j≤M)分压元件的输出端OUT_j连接到第j+1分压元件的输入端IN_j+1，第M个分压元件的输出端与基准电压源V_input相连。在第一分压元件的输出端OUT₁与第二分压元件的输入端IN₂接合部产生第一分压点，以此类推，在第j(1≤j≤M)分压元件的输出端OUT_j与第j+1分压元件的输入端IN_j+1产生第j分压点，即在每两个分压元件的接合部产生一个分压点。第j分压点的电位满足：

$V_j=\frac{V_H+V_L}{2T},$

分压元件的个数M满足：

$M=\left(\frac{1}{T}\right)\·V_{\mathrm{input}}$

参考电压产生电路中的运算放大器的正向输入端与选取的分压点相连，运算放大器的输出端V_ref连接到该运算放大器的反相输入端，构成一个电压跟随器，运算放大器的输出端V_ref作为参考电压产生电路的输出端与比较读出级中每个读出位中电压比较器的正向输入端相连。

进行读操作时，在对应的字线上施加读电压，一次读取一行字线上的阻变存储单元的数据。由于每个读出位的组成完全相同，记每个读出位中反馈电阻的阻值为R_f，当对该字线上的阻变存储单元进行读操作时，每个读出位中敏感放大器的直流增益由反馈电阻和阻变存储单元电阻的比值决定。以读取第一字线WL₁上的阻变存储单元为例进行说明：在第一字线WL₁上施加读取电压V_r，第一位线BL₁与敏感放大器的反相输入端相连接，记rm₀单元的阻值为R_m0，对rm₀单元进行读操作时，由反相放大器的闭环特性可得，对应的第一读出位中敏感放大器的直流增益由反馈电阻和阻变存储单元电阻的比值R_f/R_m0决定，输出和输入电压之间关系为：

$V_{o1}=-\frac{R_f}{R_{m0}}\·V_r$

处于不同阻态时，阻变存储单元rm₀具有不同的阻值，从而导致输出电压V_o1随采样单元阻值的不同而变化，将阻变存储单元的阻值的变化转换为敏感放大器的输出电压的变化，以此来采样阻变存储单元的阻值。V_o1的输出与第一读出位中电压比较器的反相输入端相连，电压比较器通过对参考电压和敏感放大器的输出信号进行比较产生输出信号。

每一个读出位中，敏感放大器和反馈电阻实现了该读出位对阻变存储单元阻值的采样功能。下面分析读出放大电路的工作过程，以对第一字线WL₁上的阻变存储单元rm₀、rm₁的采样过程为例进行分析说明，由于R_Q可以看做是任意两个存储单元位线之间的等效电阻，又因为读操作原理相同，所以此分析同样适用于同一字线上的任意两个阻变存储单元。对rm₀、rm₁的的等效采样电路如图9所示：rm₀、rm₁的一端与字线WL₁相连，rm₀的另一端通过第一位线与第一读出位中的敏感放大器SA₁的反相输入端相连，SA₁的输出端V_o1经过反馈电阻与它的反相输入端相连，SA₁的正相输入端接地；rm₁的另一端通过第二位线与第二读出位中的敏感放大器SA₁的反相输入端相连，SA₁的输出端V_o2经过反馈电阻与它的反相输入端相连，SA₁的正相输入端接地，所有潜通路上的电阻用R_Q来等效表示。第一读出位的敏感放大器SA₁和rm₀、反馈电阻构成了一个反相放大器；第二读出位的敏感放大器SA₂和rm₁、反馈电阻构成了另外一个反相放大器。记rm₀的阻值为R_m0，rm₁的阻值为R_m1，各个读出位中反馈电阻的阻值等于常数R_f。根据基尔霍夫定律得出以下方程：

$\frac{V_r-V_{i1}}{R_{m0}}-I_1-I_3=0---\left(1\right)$

$\frac{V_r-V_{i2}}{R_{m1}}+I_3-I_2=0---\left(2\right)$

$\frac{V_{i1}-V_{i2}}{R}=I_3---\left(3\right)$

$\frac{V_{i1}-V_{o1}}{R_f}=I_1---\left(4\right)$

$\frac{V_{i2}-V_{o2}}{R_f}=I_2---\left(5\right)$

V_o1＝a·V_i1    (6)

V_o2＝a·V_i2    (7)

其中a表示信号采样放大级中敏感放大器的开环增益，字线上施加值为V_r的读电压，R表示两条位线之间潜通路等效电阻R_Q的阻值，I₃表示潜通路干扰电流。由以上方程整理可得

$\frac{V_{o1}}{V_{o2}}=\frac{R_f\·(R_{m0}+R_{m1}+R)+R\·R_{m1}\·(a-1)}{R_f\·(R_{m0}+R_{m1}+R)+R\·R_{m0}\·(a-1)}---\left(8\right)$

由方程(8)可得，当敏感放大器的开环增益a趋于无穷大时(理想情况)，位线之间干扰电流的影响可以忽略，输出电压比值仅与阻变存储单元的高阻态阻值和低阻态阻值的比值相关，即：

$\frac{V_{o1}}{V_{o2}}=\frac{R_{m1}}{R_{m0}}---\left(9\right)$

由公式(9)得，输出电压的比值取决于阻变存储单元的高阻态阻值和低阻态阻值的比值，而与潜通路上的等效电阻R_Q无关，从而表明该读出放大电路可以降低潜通路上干扰电流的影响，有效地采样阻变存储单元的阻态。

参考电压产生电路中的分压元件使用了电容进行分压，在集成电路的工艺中，电容比电阻更容易实现精确匹配，当温度变化时，电容的容值发生改变，但相互之间的比例关系仍能保持一定，所以产生的参考电压随温度变化很小，且由于电容对直流信号具有抑制作用，所以理论上可将参考电压产生电路的直流功耗降至0。参考电压产生电路的输入基准电压V_input可由通用的基准电压产生电路产生。

参考电压产生电路输出的参考电压V_ref连接到每个读出位中的电压比较器，由每个读出位的电压比较器实现将参考电压V_ref与该读出位的敏感放大器采样输出的电压进行比较放大，从而将阻变存储单元的低摆幅采样电压放大至数字电路可以识别的电压，进而将读出结果输出到外部电路。

Claims (3)

1.一种阻变存储单元读出放大电路，它由比较读出级和参考电压产生电路组成，比较读出级由N个读出位组成，N个读出位与阻变存储单元阵列位线一一对应，即第i读出位对应第i位线BL_i，1≤i≤N，N为阻变存储单元阵列位线的数目；参考电压产生电路由M个分压元件和一个运算放大器组成，M为正整数；其特征在于：

所述比较读出级中的每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成；在第i读出位中，敏感放大器的正向输入端接地，反相输入端与第i位线BL_i相连，敏感放大器的输出端V_oi通过反馈电阻连接到该敏感放大器的反相输入端，电压比较器的反相输入端与敏感放大器的输出端V_oi相连，电压比较器的正向输入端与参考电压产生电路的输出端V_ref相连，电压比较器的输出端V_outi作为第i读出位的输出端连接到外部输出；

所述参考电压产生电路中的每个分压元件均为电容，M个分压元件按照如下方式串连：第一分压元件的输入端IN₁接地，第j分压元件的输出端OUT_j连接到第j+1分压元件的输入端IN_j+1，第M个分压元件的输出端与基准电压源V_input相连，1≤j≤M-1，在每两个分压元件的接合部产生一个分压点，即在第j分压元件的输出端OUT_j与第j+1分压元件的输入端IN_j+1产生第j分压点；

所述参考电压产生电路中的运算放大器的正向输入端与第j分压点相连，运算放大器的输出端V_ref连接到该运算放大器的反相输入端，构成一个电压跟随器，运算放大器的输出端V_ref作为参考电压产生电路的输出端与比较读出级中每个读出位中电压比较器的正向输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种阻变存储单元读出放大电路，其特征在于所述参考电压产生电路中分压点j满足

$j=\frac{V_H+V_L}{2T},$ 公式四

V_H为阻变存储单元位于高阻态时读出位中敏感放大器输出端V_oi对应的电压值，V_L为阻变存储单元位于低阻态时读出位中敏感放大器输出端V_oi对应的电压值，T为电压分辨精度，电压分辨精度指一个分压元件所分的最小电压。

3.如权利要求1所述的一种阻变存储单元读出放大电路，其特征在于所述参考电压产生电路中分压元件的个数M满足

$M=\left(\frac{1}{T}\right)\·V_{\mathrm{input}}$ 公式二

V_input为基准电压源的电压，T为电压分辨精度。

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