详解灵敏恢复（S/R）放大器的工作原理和分析

S/R放大器实际上是一种特殊的电压比较器。如图3.13所示，被比较的输入电压中一个是从选中单元读出，另一个是从虚单元读出，它们既是输入，又是输出。初始电平差经S/R的放大，使的电平差拉开，形成“0”和“1”电平，通过y译码器向外输出。

此放大器除了放大功能外，还有恢复、刷新能力，这是DRAM电路所要求的。由于在上预充的电平较高，对存“0”单元是破坏性读出。在读“0”过程中，Vs从0上升到（VDD-VTH），存“0”被破坏，要求经S/R放大后相应的位线降至“0”电平，由此将已破坏的单元回写“0”，称为恢复。

由前述可知，在保存状态下“1”电平会慢慢衰退，只有有限的保存时间，需要定期刷新，使“1”电平保持在它的最低电平限度以上。S/R放大过程中位线高电平可达足够高，它可以向“1”单元补充电荷的损失，起到刷新作用。

由此可见，DRAM的S/R不但具有放大功能，而且要对“0”单元进行恢复，要对“1”单元进行刷新。其关键是读出放大后，要使两边位线具有良好的高电平和低电平。

1、工作原理

普遍采用如图3.14所示的平衡放大器形式。结点1、2分别连到位线，它们既是S/R的输入，又是输出。在读出之前，T 关闭，通过打开T5使节点1、2保持等电位平衡。读出时T5关闭，使读单元和对应的虚单元在两边建立一定的电平差，然后打开T6，由T1、T2、T3，和T4组成的触发器开始工作，使原来电平较低的一边降至“0”电平，相反一边升至“1”电平。这样就可以完成放大、恢复和刷新三种功能。

为了降低功耗，S/R应设计成动态形式。图3.15是一种早期的S/R半动态电路。首先由时钟将应均衡地预充到VR电平，关闭后打开单元和相应的虚单元的字线，其时钟为ф_w和ф'_w，这时在上逐渐产生一个小的电平差。打开ф_s，的电平差得到放大。为了补充在读出过程中高电平的损失，由ф_L打开接电源Vcc的充电管，以得到较理想的高电平；但低电平一边的充电被放掉并消耗直流功耗。因此，这种S/R不是全动态，仅是半动态。图3.15（b）和（c）表示读出“0”单元和“1”单元的波形图。由图可见到“0”单元的恢复和“1”单元的刷新。该电路采用了半电压虚单元结构形式。

这种S/R的主要缺点是功耗大。其原因为补充高电平时钟ф_L，打开时总有一个通路，要消耗直流功耗，由于在VLSI DRAM中S/R的数量很多（每条位线要有一个），所以总功耗是可观的。为此，应该取消ф_L时钟，设法使在读放过程中高电平的损失大大减少。

2、灵敏度分析

灵敏度是S/R最重要的指标，它是放大器能够正确检测两边电平差的最小值。“能正确检测”是指两边位线初始电平差的方向与读放后终态的高低电平相对应。

S/R的灵敏度越高，允许两边位线的初始电平差ΔV越小，那末CS/CB亦可以小一些。CS小可以节省面积，CB大可以加多一条位线上的单元数。因此，设计好高灵敏度的S/R对VLSI DRAM是十分重要的关键。

为了设计出高灵敏度的S/R，必须对影响灵敏度的主要因素进行较深入的理论分析。

S/R的简化电路如图3.16所示，结点1、2分别连接两边的位线。设读出的初始电平差为ΔV=V10-V20>0，C1、C2分别为的负载电容。为了分析方便，设ф_s打开T3，后Vs的电平以线性下降，即

其中K为下降速率系数。Vso为在T3关闭时通过T1、T2向S结点进行充电的平衡电位，应有：

其中VT2是T2管的开启电压。

由于V10>V20，初始时T2处于临界导通状态，T1处于截止状态。当T3打开后，V1、V2均会下降，但由于它们之间的反馈作用，最终会使一边为“0”电平，一边为稍低于起始电平的“1”电平。

当S/R两边完全理想对称时，即有

负载电容   C1=C2=C0 ;

开启电压   VT1=VT2=VT0 ;

跨导系数   β1=β2=β0 ;

那末，在不考虑外来干扰的条件下，理想的灵敏度是无限的，即只要有极小的ΔV，就能对它进行正确检测。实际情况并不如此理想，总会有一定的不对称性。经分析证明，不对称的程度是限制灵敏度的主要因素。

为了便于分析，我们先考虑理想对称的情况。当t≥0，打开T3，V1、V2随时间t的变化曲线如图3.17所示，可以把它分成三个区域：

（1）单管导电区（t0≤t<t1）

t0时刻Vs开始下降。于是V10-Vs>VT，T2导通，V2下降，而在这段短时间内，V30-Vs<VT,T1截止，V1维持V10不变。

由于T2工作在饱和区（V10-V20<VT），故有

其中的β0为（1.46）式中的β/2a。

由上式可见，V2的下降速率随t²而增加。

（2）双管导通区（t1≤t<t2）

由于Vs总是先比V2下降得快，因此在t≥t1时，（V2-Vs）≥VT，T1由截止变为导通，进入双管导通区。这时V1、V2同时下降，下降速度分别为

由于V1>V2，则有。V1、V2在下降过程中的互相反馈，会使V1的下降速度变慢。

当达到，即时，V1（t）到达了拐点，t=tM。此后V1的下降速度变慢，而V2的下降速度加快。

（3）恢复单管导电区（t≥t2）

当t=t2时，（V2-Vs）下降至VT，T1管截止，V1不再下降。当t>t2，V2继续下降，T2从饱和区进入线性区。V2最终随Vs降至“0”电平，而V1保持略低于V10的高电平。

通过以上对读放过程的详细分析，能够得到如下的结论：在理想对称条件下，S/R能对V1与V2之间微小的初始电平差进行正确检测。

但是，情况并不如此理想，总会存在一定的不对称性ΔC、Δβ和AVT。于是，比较不只决定于V1和V2，而且与C、β和VT值有关，例如β1>β2，而ΔV。又比较小时，很可能比大，并先达到K，即V2先达到损点。最终V1降至“0”电平，V2保持高电平，与初始电平差恰巧相反，由此发生了误检。

当C、VT、β存在一定程度的不对称时，为了不发生误检，必须要求初始的ΔV0=V10-V20足够大，以使总比大，确保正确检测。在确定的ΔC、Δβ和ΔVT的条件下，总有一个使S/R不发生误检的最小ΔV0，这就是该S/R的灵敏度。当然，ΔV0越小，灵敏度越高。

灵敏度显然与不对称程度密切相关。图3.18示出读放过程中的三种情形：正确检测、误检及两者之间的临界状态。临界状态的ΔV0就是我们要计算的灵敏度。由图可见，它在双管导通区应有_，即V1、V2，下降线相互平行。由此可以进行如下推导：

由上两式：

利用在=tM点相等，并等于K，则有：

其中C0、β0是C和β的平均值。

由于V1、V2下降曲线在临界状态下是平行的，如果初始的单管导通区内V2下降比较小，则正确检测的条件为：

上式就是DRAM的S/R的灵敏度计算公式。由该式可见，对称性是决定灵敏度的关键。在不对称程度相同时，降低K、C0，增加β0，对改善S/R的灵敏度也是十分有利的。但是它们都有一定的限制。加大β0会使芯片面积增大；减小C0不利于增加一条位线上的单元数；降低及会使读放速度变慢。同时，这种无负载的全动态S/R虽有省功耗的优点，但是会使高电平有所损失。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助