專利名稱：帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到低功耗存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特指一種帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選 擇性預(yù)充電電路。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的密度和工作頻率按照摩爾定律所描述的那樣持續(xù)增長(zhǎng)，低功耗系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)成為了設(shè)計(jì)者們所關(guān)注的焦點(diǎn)。在微處理器特別是SoC (系統(tǒng)集成芯片)中，由于 存儲(chǔ)器占據(jù)了芯片功耗的很大部分，因此低功耗存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)集成電路發(fā)展具有 重要意義。而隨著高性能處理器中嵌入式存儲(chǔ)器的大量使用，對(duì)存儲(chǔ)器的速度、面積和 功耗三個(gè)方面的性能都有很高要求。而由于這三個(gè)參數(shù)之間的相互約束關(guān)系，存儲(chǔ)器低 功耗技術(shù)往往會(huì)引起速度和面積的開(kāi)銷。因此，以較低的開(kāi)銷換取低功耗性能是存儲(chǔ)器 低功耗技術(shù)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
對(duì)于存儲(chǔ)器芯片，功耗的來(lái)源可以分為三個(gè)方面存儲(chǔ)器單元陣列、譯碼器和外圍 電路。其中存儲(chǔ)單元陣列的功耗是存儲(chǔ)器功耗的主要來(lái)源。對(duì)一個(gè)/7行加列的存儲(chǔ)器，
其結(jié)構(gòu)如圖1所示，功耗可以用以下公式近似表示 尸二 ^dz)^dz)
=(附C +附("—)+ ((" + w)C^e^^/) + (G"r^/)
其中厶w是被選中單元的等價(jià)有效電流，它是一個(gè)讀或者寫操作中流過(guò)存儲(chǔ)單元的總 電荷與讀寫周期的比值，厶w是不工作單元數(shù)據(jù)維持電流，Kw是內(nèi)部電源電壓，C見(jiàn)是每 個(gè)譯碼器的等價(jià)輸出負(fù)載，^是外圍電路的總負(fù)載，/是工作頻率。
在現(xiàn)今的芯片內(nèi)嵌入式存儲(chǔ)器中，為了實(shí)現(xiàn)高速低功耗的目的，存儲(chǔ)單元陣列多是 采用動(dòng)態(tài)預(yù)充電結(jié)構(gòu)。因此，存儲(chǔ)器單元陣列的功耗主要是對(duì)存儲(chǔ)單元陣列中位線電容 的充放電功耗。其功耗的估算公式如下；
尸，=附x^x;=
其中，歷是一次讀取操作中需要被充放電的位線數(shù)目，C是每個(gè)位線的等價(jià)有效電 容，K/是電源電壓，/是工作頻率。由公式可以看出，對(duì)于確定了制造工藝、容量及性 能要求的存儲(chǔ)器，要想降低存儲(chǔ)陣列的工作功耗，只能夠通過(guò)減少參與充放電過(guò)程的位 線數(shù)目歷來(lái)實(shí)現(xiàn)。
選擇性預(yù)充電結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中電路10是存儲(chǔ)單元陣列，電路20是選擇性位 線預(yù)充電單元，電路30是輸出驅(qū)動(dòng)電路。在選擇性位線預(yù)充電單元中，PM0S管4,是傳 統(tǒng)的預(yù)充電管，l的源端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，恭受預(yù)充電信號(hào)/^控制， 當(dāng)/^為低電平時(shí)預(yù)充電管導(dǎo)通，開(kāi)始對(duì)電路充電，當(dāng)/^為高電平時(shí)預(yù)充電管關(guān)斷，切 斷從電源到內(nèi)部電路的通路。醒OS管l到iiU是位線選擇管，位線選擇管的數(shù)量根據(jù)存 儲(chǔ)器陣列組織形式的不同而不同，可以是兩個(gè)到多個(gè)。每個(gè)位線選擇管的一端連接存儲(chǔ) 陣列中的位線，另一端連接預(yù)充電管l的漏端和輸出驅(qū)動(dòng)電路中的反相器輸入端。位線 選擇管由列譯碼器的譯碼結(jié)果信號(hào)&到^控制。當(dāng)存儲(chǔ)器進(jìn)入預(yù)充電階段時(shí)，/^為低 電平，同時(shí)列譯碼器進(jìn)行譯碼工作，當(dāng)列譯碼器完成譯碼后對(duì)應(yīng)信號(hào)&到&中的一個(gè)會(huì) 由低電平跳變到高電平，此時(shí)相應(yīng)位線選擇管被打開(kāi)，將其連接的位線和預(yù)充電管l連 通，預(yù)充電管i^開(kāi)始對(duì)該位線進(jìn)行充電。當(dāng)存儲(chǔ)器完成預(yù)充電過(guò)程后進(jìn)入讀數(shù)據(jù)階段， /^跳變?yōu)楦唠娖綄㈩A(yù)充電管#-關(guān)斷，同時(shí)，在預(yù)充電階段被打開(kāi)的位線選擇管保持導(dǎo)通 狀態(tài)，存儲(chǔ)陣列中根據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的內(nèi)容對(duì)位線進(jìn)行放電或是不放電操作。如果位線 被放電則位線為低電平，因此輸出驅(qū)動(dòng)電路中的反相器輸入端為低電平，從而在輸出端 輸出高電平的"l"信號(hào)；如果位線不放電則保持為預(yù)充電階段的高電平狀態(tài)，因此輸出 驅(qū)動(dòng)電路中的反相器輸入端為高電平，從而在輸出端輸出低電平的"O"信號(hào)。電路的工 作時(shí)序如圖3所示。
在圖2的電路結(jié)構(gòu)中，通過(guò)16選1的位線選擇單元可以將參與充放電的位線數(shù)減少 到普通結(jié)構(gòu)的1/16，從而將存儲(chǔ)單元陣列的工作功耗減少到只有原來(lái)的1/16左右?？梢?jiàn) 選擇性預(yù)充電結(jié)構(gòu)具有非常明顯的功耗優(yōu)化效果。但是，從工作時(shí)序圖中可以看出，這 種結(jié)構(gòu)為了保證位線能正確預(yù)充電，會(huì)給數(shù)據(jù)讀取時(shí)間帶來(lái)近于一倍的開(kāi)銷U/^t)， 這對(duì)于高速存儲(chǔ)器顯然是不可接受的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、能夠大大縮短位線充電階段的時(shí)間開(kāi)銷，從而提高了存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取速度的帶充 電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的解決方案為 一種帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選 擇性預(yù)充電電路，其特征在于它包括選擇性預(yù)充電單元、充電補(bǔ)償單元以及輸出驅(qū)動(dòng) 單元，所述選擇性預(yù)充電單元包括預(yù)充電管l和兩個(gè)或兩個(gè)以上的位線選擇管C，充電 補(bǔ)償單元包括充電補(bǔ)償管ifc和第二反相器inv2，充電補(bǔ)償管《,的源端連接著電源，漏端
連接著內(nèi)部電路，充電補(bǔ)償管i受預(yù)充電信號(hào)/^控制，每個(gè)位線選擇管C的一端連接
存儲(chǔ)陣列中的位線，另一端連接于預(yù)充電管乾,和充電補(bǔ)償管ifc的漏端以及充電補(bǔ)償單元 的第二反相器inv2、輸出驅(qū)動(dòng)單元的第一反相器inv,的輸入端，充電補(bǔ)償管Jfc的源端連 接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，ifc管受第二反相器inv2的輸出端控制，第二反相器inv2 的輸入端與預(yù)充電管趙,和充電補(bǔ)償管ifc的漏端連接。
所述充電補(bǔ)償單元與一等效電容G相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于
1、 由于本發(fā)明采用了充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電路，與普通的選擇性預(yù)充電結(jié)構(gòu)相比，可以大 大縮短位線充電階段的時(shí)間開(kāi)銷&從而提高了存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀取速度。
2、 通過(guò)位線選擇管控制位線的充電過(guò)程，不參與數(shù)據(jù)讀取的位線電容不進(jìn)行充放電 操作，從而避免了讀取數(shù)據(jù)時(shí)的功耗浪費(fèi)。3、 引入充電補(bǔ)償電路，既保證預(yù)充電的正確性又縮短充電階段的時(shí)間開(kāi)銷。


圖1是存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖及功耗來(lái)源示意圖； 圖2是已有選擇性預(yù)充電結(jié)構(gòu)電路示意圖； 圖3是已有選擇性預(yù)充電電路的工作時(shí)序示意圖； 圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框架示意圖； 圖5是本發(fā)明的具體電路示意圖； 圖6是本發(fā)明的工作流程示意圖 圖7是本發(fā)明電路的工作時(shí)序示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖4和圖5所示，本發(fā)明帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路是在傳統(tǒng)的 選擇性預(yù)充電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上另增設(shè)了一充電補(bǔ)償單元，它包括選擇性預(yù)充電單元、充電補(bǔ) 償單元以及輸出驅(qū)動(dòng)單元，所述選擇性預(yù)充電單元包括預(yù)充電管4,和兩個(gè)或兩個(gè)以上的 位線選擇管脫,，充電補(bǔ)償單元包括充電補(bǔ)償管ifc和第二反相器inv2，預(yù)充電管i^的源 端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，預(yù)充電管4;受預(yù)充電信號(hào)/^控制，每個(gè)位線選 擇管C的一端連接存儲(chǔ)陣列中的位線，另一端連接于預(yù)充電管l和充電補(bǔ)償管#^的漏 端以及充電補(bǔ)償單元的第二反相器inv2、輸出驅(qū)動(dòng)單元的第一反相器inw的輸入端，充
電補(bǔ)償管乾,的源端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，ifc管受第二反相器inv2的輸出端 控制，第二反相器irw2的輸入端與預(yù)充電管i/w和充電補(bǔ)償管ifc的漏端連接。
如圖5所示，是本發(fā)明在一個(gè)16選1的位線選擇結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例，其中電路10 是存儲(chǔ)單元陣列，w到^是存儲(chǔ)陣列字線，電容G^到Gw表示每根存儲(chǔ)陣列位線的等效 電容。電路20是本發(fā)明提出的帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的選擇性預(yù)充電電路。其中NMOS管l到 l采用傳統(tǒng)的位線選擇管，根據(jù)列譯碼器的結(jié)果選通相應(yīng)位線，電容G是該結(jié)構(gòu)的電路 等效電容。電路30是輸出驅(qū)動(dòng)單元的電路。
在電路中，PMOS管l是傳統(tǒng)的預(yù)充電管，# 的源端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部 電路，l受預(yù)充電信號(hào)/^控制，當(dāng)為/^為低電平時(shí)預(yù)充電管導(dǎo)通，開(kāi)始對(duì)電路充電， 當(dāng)為/^為高電平時(shí)預(yù)充電管關(guān)斷，切斷從電源到內(nèi)部電路的通路。醒OS管iL到必w是 位線選擇管，位線選擇管的數(shù)量根據(jù)存儲(chǔ)器陣列組織形式的不同而不同，可以是兩個(gè)到 多個(gè)。每個(gè)位線選擇管的一端連接存儲(chǔ)陣列中的位線，另一端連接預(yù)充電管l和充電補(bǔ) 償管ifc的漏端以及充電補(bǔ)償電路的反相器inv2和輸出驅(qū)動(dòng)電路中的反相器irm的輸入 端。位線選擇管由列譯碼器的譯碼結(jié)果信號(hào)&到Sw控制。充電補(bǔ)償管Jfc及其驅(qū)動(dòng)反相 器inv2是本發(fā)明提出的創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)，ifc的連接方式與4;大致相同，源端連接著電源，漏 端連接著內(nèi)部電路，但i/w管受反相器inv2的輸出端控制，反相器inv2的輸入端與預(yù)充電 管l和充電補(bǔ)償管i/w的漏端連接。因此，在存儲(chǔ)器預(yù)充電階段，反相器inv2的輸入端 被充電到高電平，其輸出的低電平可將充電補(bǔ)償管4,打開(kāi)，進(jìn)而使得在預(yù)充電管l被關(guān) 斷后充電補(bǔ)償管i/w仍然可以對(duì)內(nèi)部電路充電。
本發(fā)明的操作流程圖6所示，電路中各信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖7所示，其中&和^分 別是列譯碼器和行譯碼器譯碼后選中的字線和位線選擇信號(hào)，6k是被選中位線的等效電 容。如圖6所示，該電路的操作流程可分為三個(gè)階段
1. 預(yù)充電管(l)開(kāi)啟階段(時(shí)序圖中的")在預(yù)充電操作開(kāi)始時(shí)，預(yù)充電信號(hào) (D下跳到低電平使預(yù)充電管(4》開(kāi)啟對(duì)電路等效電容(O進(jìn)行預(yù)充電。此時(shí)存
儲(chǔ)器的行譯碼器和列譯碼器對(duì)地址進(jìn)行譯碼操作，存儲(chǔ)陣列中的字線(》0和位線選擇信 號(hào)(&)都保持為低電平。由于(&)為低電平，所以位線選擇管關(guān)閉，位線在此階段并 沒(méi)有被預(yù)充電。
2. 位線預(yù)充電階段(時(shí)序圖中的")列譯碼器先于行譯碼器G時(shí)間產(chǎn)生結(jié)果。此 時(shí)，根據(jù)列譯碼器結(jié)果，相應(yīng)位線選擇信號(hào)(&)產(chǎn)生上跳，其上跳沿將相應(yīng)的位線選擇 管U》開(kāi)啟，使預(yù)充電電路和所選中的位線連接。同時(shí)，預(yù)充電信號(hào)(D保持為低，
預(yù)充電管(l)繼續(xù)導(dǎo)通并和充電補(bǔ)償管(ifc) —起對(duì)位線等效電容充電。而未被位線 選擇信號(hào)選中的位線則不進(jìn)行充電操作。
3.預(yù)充電管(i/w)關(guān)閉階段(時(shí)序圖中的")行譯碼器完成譯碼操作，相應(yīng)字線 (W)上跳選通存儲(chǔ)單元。同時(shí)，預(yù)充電信號(hào)(D上跳到高電平將預(yù)充電管(4》關(guān) 閉。此時(shí)，如果存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的是"l"信號(hào)，則存儲(chǔ)單元的NM0S管將位線與地線連通， 開(kāi)始對(duì)位線等效電容(Gw)放電。由于存儲(chǔ)單元的M10S管驅(qū)動(dòng)能力大于充電補(bǔ)償管(乾》， 所以位線將被放電到低電平，輸出驅(qū)動(dòng)反相器(inv》輸出"1"信號(hào)；如果存儲(chǔ)單元存 儲(chǔ)的是"0"信號(hào)，則位線與地線沒(méi)有連接通路，由充電補(bǔ)償管(Jfc)繼續(xù)對(duì)位線充電到 電源電壓，輸出驅(qū)動(dòng)反相器(inVl)保持輸出"0"信號(hào)。
權(quán)利要求
1、一種帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路，其特征在于它包括選擇性預(yù)充電單元、充電補(bǔ)償單元以及輸出驅(qū)動(dòng)單元，所述選擇性預(yù)充電單元包括預(yù)充電管Mp1和兩個(gè)或兩個(gè)以上的位線選擇管Mni，充電補(bǔ)償單元包括充電補(bǔ)償管Mp2和第二反相器inv2，充電補(bǔ)償管Mp1的源端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，充電補(bǔ)償管Mp1受預(yù)充電信號(hào)Fpre控制，每個(gè)位線選擇管Mni的一端連接存儲(chǔ)陣列中的位線，另一端連接于預(yù)充電管Mp1和充電補(bǔ)償管Mp2的漏端以及充電補(bǔ)償單元的第二反相器inv2、輸出驅(qū)動(dòng)單元的第一反相器inv1的輸入端，充電補(bǔ)償管Mp2的源端連接著電源，漏端連接著內(nèi)部電路，Mp2管受第二反相器inv2的輸出端控制，第二反相器inv2的輸入端與預(yù)充電管Mp1和充電補(bǔ)償管Mp2的漏端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路，其特征在于 所述充電補(bǔ)償單元與一等效電容^相連。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器選擇性預(yù)充電電路，它的選擇性預(yù)充電單元包括預(yù)充電管M_p1和兩個(gè)或兩個(gè)以上的位線選擇管M_pi，充電補(bǔ)償單元包括充電補(bǔ)償管M_p2和第二反相器inv₂，預(yù)充電管M_p1的源端連接電源，漏端連接內(nèi)部電路，預(yù)充電管M_p1受預(yù)充電信號(hào)F_pre控制，每個(gè)位線選擇管M_ni的一端連接存儲(chǔ)陣列中的位線，另一端連接于預(yù)充電管M_p1和充電補(bǔ)償管M_p2的漏端以及充電補(bǔ)償單元的第二反相器inv₂、輸出驅(qū)動(dòng)單元的第一反相器inv₁的輸入端，充電補(bǔ)償管M_p2的源端連接電源，漏端連接內(nèi)部電路，M_p2管受第二反相器inv₂的輸出端控制，第二反相器inv₂的輸入端與預(yù)充電管M_p1和充電補(bǔ)償管M_p2的漏端連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能縮短位線充電階段的時(shí)間開(kāi)銷，提高存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取速度。
文檔編號(hào)G11C7/12GK101110260SQ200710035330
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月10日
發(fā)明者樂(lè)大珩, 婷 劉, 征 劉, 喻仁峰, 張民選, 李少青, 王東林, 董蘭飛, 鵬 賀, 趙振宇, 陳吉華, 陳怒興, 雷建武, 馬劍武, 高紹全 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)