（微电子学与固体电子学专业论文）高速、低功耗sram分析与设计.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术的不断发展，存储器呈现出高集成度、快速、低功耗的发展趋势。 静态随机读写存储器( s r a m ) 作为存储器大家庭中的一员，近年来得到了长足的发展。 它作为半导体存储器中不可缺少的一类产品，在计算机、通信等高速数据交换系统中得 到了广泛的应用。资料显示，存储器市场占目前整个半导体市场的3 5 ，而静态随机读 写存储器则占各种存储器总额的1 5 左右，并且随着技术的改进和工艺的进步，每年以 l o 的速度递增。因此，对静态随机读写存储器的深入研究具有深远的意义。 静态随机读写存储器的存取速度由地址输入到数据输出的关键路径决定：关键路径 主要包括地址缓冲、译码器、存储单元、灵敏放大器和输出缓冲电路等。存储单元是存 储器的核心部分，结构相对固定，其性能往往由当前的工艺水平决定。所以，在静态存 储器的设计过程中，更注重的是通过对译码器、灵敏放大器等外围关键电路的优化设计 来提高存储器的性能。对s r a m 的设计一般要在速度、面积、功耗三者之间反复权衡， 力求达到一个最佳值。 本文设计了一款2 5 6 k b 的静态随机读写存储器。首先介绍了该静态随机读写存储器 的结构和工作原理，重点放在存储单元、译码器、灵敏放大器、分级位线结构的设计上。 通过分析影响存储器速度和功耗的原因，提出了相应的优化措施，以通过对外围电路结 构的改进而改善整个存储器的性能。最后，在0 2 5umc m o s 标准工艺条件下，系统通 过h s p i c e 和h s i n l 进行模拟。仿真结果显示：在典型的工作条件下( v d d = 2 5 v ，t = 2 5 ) ， 数据存取时间小于1 2 n s 。各项设计参数都达到了预期的目标。因此，在同等工艺条件下， 该存储器具有高速、低功耗的特点，对今后的存储器研究开发具有一定的借鉴作用。 全文分为六章，第一章介绍了存储器的分类及发展概况；第二章给出了本文设计的 静态随机读写存储器的系统结构；第三章为s r a m 关键电路设计；第四章对存储阵列 进行优化设计；第五章为存储器总体设计与仿真：最后一章为结论与展望。 关键词：静态存储器存储单元灵敏放大器译码器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m e m o r yd e v i c e sh a v es h o w nt h e d e v e l o p i n gt r e n d st o w a r dl a r g ec a p a c i t y , f a s ts p e e da n dl o wp o w e r n es t a t i cr a n d o ma c c e s s m e m o r y ( s r a m ) ，a sa m e m b e ro ft h em e m o r yd e v i c ef a m i l y , h a sm a d es i g n i f i c a n ta d v a n c e s r e c e n t l y , a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dh i g hs p e e dd a t a e x c h a n g es y s t e m s c u r r e n td a t as h o w st h a tt h em e m o r yd e v i c e so c c u p ya3 5 p a r to ft h e o v e r a l ls e m i c o n d u c t o rm a r k e t , w h i l es r a ma m o u n t su pt o15 o ft h es e m i c o n d u c t o r m e m o r ys a l e s f u r t h e r m o r e ，t h es r a mm a r k e ti sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n ga ta10 a n n u a l r a t e i nt h i sv i e w p o i n t ，s t u d y i n gs r a mi so fg r e a ti m p o r t a n c eb o t hp r a c t i c a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y t h ea c c e s sr a t eo fs r a mi sb a s i c a l l yd e t e r m i n e db yt h ec r i t i c a lp a t hf r o ma d d r e s si n p u t t od a t ao u t p u t n 圮c r i t i c a lp a t hi sm a i n l yc o m p o s e do ft h ea d d r e s sb u f f e r , d e c o d e r , m e m o r y u n i t ，s e n s ea m p l i f i e ra n do u t p u tb u f f e rc i r c u i t s a m o n gt h e m ，t h em e m o r y u n i ti st h ec o r ep a r t w i t i lr e l a t i v e l yf i x e ds t r u c t u r e ，a n di t sp e r f o r m a n c ei su s u a l l yd e t e r m i n e db yt h ec u r r e n t s e m i c o n d u c t o rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a sar e s u l t ，p e o p l ea l w a y sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e p e r i p h e r a lc i r c u i t s ( s u c h8 sd e c o d e ra n d s e r k s ea m p l i f i e r lo fs r a mi nd e s i g n s c o m p e n s a t i o n s m u s tb ec o n s i d e r e da m o n gt h es p e e d ，a r e a , a n dp o w e r d i s s i p a t i o nt oa c h i e v eo p t i m i z e dv a l u e s i ns r a md e s i g n s a2 5 6 k bs r a mh a sb e e nd e s i g n e di nt h i sw o r k t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s o ft h es r a mi si n t r o d u c e df i r s t l y , 谢t l la ne m p h a s i so n ，d e s i g no ft h em e m o r yu n i t ，d e c o d e r , s e n s ea m p l i f i e ra n dh i e r a r c h i c a lb i tl i n e a f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fp o w e r d i s s i p a t i o na n da c c e s s i n g r a t eo fs r a mi nd e t a i l ，o p t i m i z a t i o nm e a s u r e sa r ep r o v i d e ds ot h a t t h em e m o r yp e r f o r m a n c ec a r lb er a i s e db yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fp e r i p h e r a lc i r c u i t s f i n a l l y , t h em e m o r ys y s t e mi ss i m u l a t e db yh s p i c ea n dh s i mu n d e ro 2 5l a mc m o s s t a n d a r d p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c e s st i m eo ft h em e m o r yi sl e s st h a n1 2 n su n d e rt h e n o r m a lw o r kc o n d i t i o n ( v d d = 2 5 v ，t = 2 5 0 c ) 1 kp a r a m e t e r sh a v em e tt h ed e s i g n i n gg o a l h e n c e ，b o t l lt h eh i g hs p e e da n dt h el o wp o w e ra r ea c h i e v e di na ne q u i v a l e n tp r o c e s s ，w h i c h c r nb eu s e da sau s e f u lr e f e r e n c ef o rf u t u r em e m o r yd e s i g n s t h et h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n d c l a s s i f i c a t i o no ft h em e m o r y t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e s y s t e ms t r u c t u r eo fs r a m t h et 1 1 i r dc h a p t e rt a l l 【sa b o u tt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h e c r i t i c a lc i r c u i t ss u c h 硒t h ed e c o d e ra n dt h es e n s ea m p l i f i e r o p t i m i z e dd e s i g no ft h em e m o r y a r r a yi sd i s c u s s e di nt h ef o u r t hc h a p t e r i nt h ef i f u lc h a p t e r , t h eo v e r a l ld e s i g na n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d 。t h ec o n c l u s i o na n dt h ef u t u r eo fs r a ma r eg i v e ni nt h el a s t c h a p t e r k e y w o r d s - s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y , m e m o r yu n i t , s e n s ea m p l i f i e r , d e c o d e r i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：趁堑 日翔蚂年毛其中 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：霉龟：盏l 导师签名：童主到 日期：叩年月，7 e l ， 第一章引言 1 1 课题的来源及意义 第一章引言 自2 0 世纪6 0 年代第一个半导体存储器发明以来，存储器的研究和应用已经历了近 半个世纪的发展历程。在过去的四十余年中，集成电路的发展一直遵循着摩尔定律，即 每三年芯片集成度增长四倍，特征尺寸缩小1 3 ，芯片尺寸以每代1 4 倍的速度增大【l l 。 第一个利用m o s 工艺实现的存储器在1 9 7 0 年推出，其容量只有4 k b 。此后，存储器的 密度和性能经历了翻天覆地的变化，并被应用到越来越多的领域。今天的高性能微处理 器中，一半以上的晶体管用于高速缓存，并且预期这一比例还会进一步提高。这种情况 在系统级芯片设计和制造中表现得更为明显。由于微电子工艺水平的日益进步，半导体 存储器的存储容量不断增大，速度持续加快，对数字逻辑系统性能的改善起着很大的影 响。 静态随机读写存储器( s r a m ) 由于其优越的性能( 功耗低，速度高) 而被广泛应 用在高速存储系统、多媒体技术、蜂窝电话、活动图象处理、电子通信、语音处理合成、 声波导航武器等高技术领域。高速低功耗的s r a m 业已成为超大规模集成电路( v l s i ) 芯片的重要组成部分。因此，静态随机读写存储器作为i c 领域的一个极其重要的部分， 对其进行深入的研究开发，对于研制国产芯片，推动我国微电子技术的发展，具有深远 的意义。 本课题是微电子学与固体电子学专业大规模集成电路设计方向的研究课题，来源于 某研究所的科研项目；同时，该研究所也为本课题的开展提供了充足的软硬件和经费支 持。 1 2 半导体存储器的分类及特点 半导体存储器有许多不同的形式和类型，可以按功能、数据读取的方式和数据存储 的原理来对其进行划分。通常从功能上可将其分为随机存储器( r a m ，r a n d o ma c c e s s m e m o r y ) 和只读存储器( r o m ，r e a do n l ym e m o r y ) 两大类。r a m 的存储信息一般在 断电后就丢失了，而r o m 存储的信息一经存入便可长期保持。因此，r a m 也常叫做 挥发性存储器，而r o m 常归为非挥发性存储器。 挥发性随机存储器是最灵活的一种存储器，它可以同时提供读和写的功能并具有可 比性的读、写时间。根据数据存储的不同工作原理，它又可分为静态随机读写存储器 ( s 凡蝴) 和动态随机读写存储器( d r 6 心讧) 。s r a m 利用一个带有正反馈的触发器来 存储数据，而d r a m 则利用电容上的电荷来存储数据。由于电容存在电荷泄漏问题， 所以需要定时对d r a m 进行刷新，以弥补被泄漏的电荷，从而保证存储信息不被破坏。 江南大学硕士学位论文 非挥发性存储器的存储信息不会因为掉电而丢失，主要包括只读存储器和可编程存储器 两类。取决于存储器的具体结构，非挥发性存储器中所存储的数据可以是长期不变的， 或者是可编程的。具体的分类如表1 1 所示。 与d r a m 相比，s r a m 版图面积和工作电流较大，但同时具有速度快、取数时间 短等优点。目前制造s r a m 的技术主要有c m o s 、b i c m o s 、c m o s e c l 等。b i c m o s 和c m o s e c l 制作的产品速度较快，但功耗也较大。c m o ss r a m 在功耗和速度两个 性能指标上进行折中，是目前s r a m 设计的主要技术。 表1 1 半导体存储器的分类 半导体存储器 挥发性存储器i非挥发性存储器 d r a ms r a m 可编程存储期1 只读存储器 e p r o m le 2 p r o mf l a s h ir o m 1 2 1 挥发性存储器 随机读写存储器( r a m ) 工作时，可以随时从任何一个指定的地址读出数据，也可 以随时将数据写入任何一个指定的存储单元。它最大的优点是读、写操作方便，使用灵 活，但是也存在数据易丢失的缺点( 即一旦停电以后，所存储的数据也随即丢失) 。在 过去的几十年间，d r a m 由于其高密度和每位的低成本，成为市场上销售额最大的存储 器。第一个商用d r a m 是i n t e l 公司在1 9 7 0 年发布的，为应用p 沟硅栅工艺技术制作 的三晶体管单元的l k bd r a m 。d r a m 演变进程中最重要的改进是三管单元设计转向 单管单元设计。现在的d r a m 容量已发展到几百兆甚至1 g b ，数g b 的存储器也正在 研发中。 目前，d r a m 己成为绝大多数计算机的主存，它通过电容器上的电荷来代表存储二 进制数据的逻辑“高”和“低”。之所以称其为动态存储器是因为它存储的电荷即使在持续 加电的情况下也会泄漏掉。所以，在一定的周期内，需要对其进行刷新。这一方面影响 了存储器的速度，同时也增加了存储器的功耗。 静态随机读写存储器( s r a m ) 的存储容量和性能由于半导体工艺水平的提高、器 件尺寸的不断缩小以及电路结构的改进而得到了很大的增长。s r a m 依靠连续的供电来 保持数据的完整性，在使用过程中不需要刷新，且存取时间短，典型的存取时间约为几 纳秒。s r a m 由于具有高性能、低功耗的特点，已被广泛应用在计算机的高速缓存和频 繁的数据处理系统中。在目前的情况下，s r a m 的密度一般比d r a m 要落后一代，因 此每位的成本相对较高。但随着工艺的不断改进，它正在逐渐成为d r a m 的替代产品。 近年来，商业应用中已有4 m 到1 6 m 的s r a m 产品，但成本因素还是从某种程度上限 制了s r a m 的发展。 2 第一罩引言 从结构上考虑，s r a m 可以分为同步s r a m 和异步s r a m 。前者通过外加时钟信 号来控制s r a m 的工作。同步设计利用一个或多个外加时钟信号控制s r a m 工作，使 时序得以改进，这样可以缩短存储器的存取时间使之与快速的微处理器的时钟匹配。 异步s r a m 通常是通过对地址信号的监控，例如当地址信号发生变化时，根据地址的 变化产生一个信号( 如地址变化探测信号a t d ) 来控制s r a m 内部电路的时序 1 2 2 非挥发性存储器 只读存储器( r o m ) 是一类重要的非挥发性存储器。其中掩模式r o m 的单元最多 由一个m o s 管构成，晶体管的栅极接字线，漏极接位线，源极接地。单元的存储内容 由是否在字线和位线之间接有晶体管来决定。图1 1 给出了r o m 中存“1 ”和“o ，的实现 方式。这类存储器的特点是密度高，成本低。它的编程是在集成电路的制造过程中通过 掩模完成的，因此它一旦编程就无法再进行修改，在使用上缺乏灵活性。 ( a ) 单元1( b ) 单元0 图1 1r o m 中存储信息l 和0 的实现方式 可撩除可编程只读存储器( e p r o m ) 又称紫外线可擦除可编程存储器 ( u v e p r o m ) ，它的核心部件是一个浮栅晶体管【2 】( f l o a t i n gg a t et r a n s i s t o r ) ，它事实上构 成了目前已有的所有非挥发性存储器的核心。这一结构和通常的m o s 器件类似，但在 m o s 器件的栅和沟道之间插入了一个多晶硅条，这个多晶硅条不与任何东西连接，因 而称为浮栅。引入的浮栅使得栅氧化层的厚度加倍，从而降低了器件的跨导并使阈值电 压升高。在这一器件的源、栅和漏极加一个高的电压( i o v 以上) ，产生一个高电场引 起电子的雪崩注入。电子得到足够的能量而在浮栅上被捕获。移去电压后被捕获的电子 仍然留在浮栅上，从而使中间浮栅上产生一个负电压，这样有效的增加了器件的阈值电 压p 】。浮栅晶体管就是通过对闽值电压的改变来达到存“1 ”和存“0 ”的目的。 e p r o m 的擦除是通过在存储器上封装一个透明的窗口，当擦除的时候，将这个窗 口放在紫外光下，紫外光通过在氧化层内直接产生电子一空穴对，从而使其轻微的导电， 将存储在浮栅上的电子泄放掉，达到擦除的目的【4 1 。e p r o m 结构简单，密度高，但擦 除比较慢。根据u v 光源的强度可能需要几秒到几分种时间。一般情况下，编程需要 5 一l o f t s 字，因而在不需要经常编程的场合用得比较多。但是由于每次擦除都要将存储器 江南大学硕士学位论文 从系统上拿下来，放到紫外光下照射，这给应用带来了很多不便，并且这类存储器擦除 的次数也有限，因而后来慢慢被e e p r o m 和f l a s h 取代。 电擦除可编程只读存储器( e e p r o m ) 可减少e p r o m 编程带来的不便。但它的编 程机制和e p r o m 不同，是通过隧道效应【5 】( t u n n e l i n ge f f e c t ) 向浮栅注入或移去电荷， 为此采用一种称为f l o t o x ( f l o a t i n g - g a t e t u n n e l i n g o x i d e ) 的晶体管【6 1 。这种晶体管的 浮栅与沟道和漏端的那一小部分绝缘介质的厚度减小到大约1 0 r i m 。当把一个1 0 v 的电 压加到这一很薄的绝缘层时，电子通过f l o w e r - n o r d h e i m 隧穿机理穿入或穿出浮栅【刀。 该过程的最大优点就是可逆的，只要把写过程加的电压反过来就可以实现擦除。因此 e e p r o m 与e p r o m 相比，擦写比较容易，并且它支持更多的擦写次数( 1 0 5 左右) 。但 是e e p r o m 单元需要两个晶体管，一个做存储管，一个做访问管，所以e e p r o m 的存 储密度低。 快闪存储器( f l a s h ) 的概念在1 9 8 4 年提出，并很快发展成为应用最普遍的非易失 性存储器结构。它是建立在e p r o m 和e e p r o m 技术的基础上，它的单元可以做到比 e e p r o m 的单元小1 2 到l 3 ，显著的减小了单元的尺寸，从而提高了存储密度。大多 数f l a s h 的编程是采用雪崩热电子的注入来完成的( 同e p r o m ) ，而擦除则和e e p r o m 一样，采用f l o w e r - n o r d h e i m 隧穿来完成。主要差别是f l a s h 的擦除是对整个芯片或存 储器的某个部分成批的进行，而e e p r o m 的擦除是对单个字节进行擦除。f l a s h 具有高 密度、不挥发和可编程的特点，近年来快闪存储器市场持续增长，它和s r a m 是紧接 d r a m 之后、市场销售额最大的两个存储器类型。 1 3 半导体存储器的发展概况 集成电路是当前世界上发展速度最快、更新换代也最快的电子产品。存储器在集成 电路中技术最先进、产量最多、市场最大，因而存储器的研制和生产水平是衡量一个国 家科学技术和工业发达程度的标志。纵观s r a m 的发展历史，可以发现s r a m 的发展 历程并不平坦。在早期，由于高速c p u 与低速内存之间速度不匹配，插入s r a m 作高 速缓存，使处理器性能得到很大的提高。后来，i m e l 公司在其奔腾微处理器中直接嵌入 高速缓存后，一些通讯设施( 如路由器、网络交换器) 正成为s r a m 的一大应用领域。 另外，在一些高端的消费类电子产品( 如d v d 和机顶盒等) 中，s r a m 也找到了用武 之地。然而，由于s r a m 的集成度相对低和制造成本较高的缘故，难以满足移动通讯 设备高密度和小尺寸的要求，在一定程度上制约了s r a m 的进一步发展【8 l 。近年来，随 着集成电路设计、制造水平的不断提高，s r a m 的密度、性能都不断季导以改善。国际上 已发展了具有亚微米尺寸、先进的4 m b 到6 4 m b 异步的s r a m 的设计和系统结构，并 已经可以得到商业芯片。在国内，对嵌入式的s r a m 的研究工作也取得了一定的成就， 已有1 2 8 k b 、2 5 6 k bs r a m 的报导，而对更大容量s r a m 的研究工作还处于起步阶段。 目前，根据市场需求的变化，s r a m 呈以下发展趋势【9 】： 第一章引言 1 ) 高密度、大容量 根据摩尔定律，在一个单片上集成的晶体管的数目将随时间按指数规律增长。 s r a m 也不例外，正在按这样的速率发展。工艺的提高为集成度的增加提供了条件，而 系统对大容量、低成本的要求则刺激了高密度、大容量存储器的研发。 2 ) 商速 速度是s r a m 赖以存在的基础。随着工艺的进步和技术的提高，处理器的频率从 以前的几百兆到现在的几个吉( 1 0 9 ) 赫兹。为了提高处理器的使用效率，需要高速s r a m 与之匹配。另外，在现代通信网络中，高速的数据处理也对s r a m 的访问速度提出了 更高的要求。 3 ) 低电压、低功耗 系统芯片( s o c ) 和便携式设备的发展使人们对功耗提出了更加严格的要求，使得 低功耗技术成为微电子技术领域的热点和挑战。功耗的降低不但可以延长设备待机时 间，也可以降低芯片的成本，提高工作的稳定性和可靠性。低功耗、高性能的s r a m 需 要在结构、电路和工艺上进行优化。一个最有效的减少功耗的技术就是在不牺牲性能的 前提下降低电源电压。 4 ) 高可靠性 随着空间技术的发展，各种电子设备己广泛应用于人造卫星、宇宙飞船、运载火箭 等系统中。面对恶劣的环境，如何提高s r a m 的抗干扰的能力、减小软错误率、延长 系统寿命成为s r a m 设计者必须面l 临的问题【j o l 。目前，通过采用s o ic m o s 工艺、具 有冗余和纠错功能的s r a m 正越来越受到人们的青睐1 1 1 j 。 1 4 本论文的主要工作及技术要点 本文的主要工作围绕对高速、低功耗静态存储器的研究展开，对影响存储器性能的 关键电路进行了优化设计，并在此基础上设计了一款2 5 6 k bs r a m 。在设计过程中主要 做了以下几个方面的工作： 1 ) 完成整个存储器的逻辑设计工作。 2 ) 分析读写过程对存储单元的影响，针对怎样提高存储单元的可靠性，怎样减小 存储单元的面积，给出了一套的完整的计算方法。 3 ) 在译码器电路中采用预译码技术，减少译码器电路所需晶体管数目，加快译码 器工作速度，减小存储器功耗。 4 ) 对传统的灵敏放大器进行了深入的理论分析，得到了不同结构的灵敏放大器的 性能比较。 5 ) 对存储器进行分割设计，采用分级字线、位线技术来减少位线负载电容，从而 来降低存储器的功耗。 6 ) 以上工作通过h s p i c e 或h s i m 进行仿真，并给出了仿真结果。仿真显示本文所 江南大学硕士学位论文 设计的s r a m 在最坏情况下的工作周期小于1 2 n s ，达到了设计目标。 1 5 小结 本章首先介绍了课题的来源及意义，随后介绍了半导体存储器的发展及分类，并对 静态存储器的在整个存储器市场中的位置做了简要的说明，最后对本文要设计的2 5 6 k b 静态存储器的主要技术要点做了总体概述，为后面介绍存储器的设计及优化打下基础。 6 第二章2 5 6 k bs r a m 整体结构 第二章2 5 6 k bs r a m 整体结构 2 1 系统结构框图及其描述 静态随机读写存储器( s r a m ) 采用双稳态电路来保存数据，可以对任意地址的存 储单元进行读出和写入，但当电源切断时，存储信息就会消失。双稳态电路使s r a m 具 有速度快，不需要刷新以及外围电路简单等优点，但同时具有集成度不够高的缺点。 s r a m 常使用于高性能的计算机系统中，作为高速缓冲存储器。 静态随机存储器( s r a m ) 主要由存储阵列和外围电路组成。存储阵列是s r a m 的 核心。存储阵列中同一行的单元由一根公共的水平连线，叫做“字线”；同- - n 的单元有 一根垂直连线，叫做“位线”。通过译码电路确定一个单元，对它进行读写操作。由于存 储器是用性能和可靠性为代价来换取面积的减小，所以它的设计特别依赖外围电路设计 以同时恢复它的速度和电气的完整性。虽然存储器内核的设计主要取决于工艺考虑并在 很大程度上己超出设计者的控制范围，但外围电路的设计可以使存储器的性能大为改 观。 本文设计的2 5 6 k b 静态随机存储器是由存储阵列、灵敏放大器、译码器、控制电路 和时序控制电路五大部分组成。存储器的存储单元是由六个晶体管构成的双稳态触发电 路。该触发器在外部电路的控制下可以处于双态中的任意一态，以此来表示逻辑0 和 逻辑“1 ”。存储单元按行和列排列起来，组成了s r a m 的存储阵列。存储器的地址分为 行地址和列地址。在存储阵列周围是译码器和外围控制电路。地址经过行译码器和列译 码器译码后，分别选中相应的行和列，行和列的交叉就是要访问的存储单元。因此，静 态随机存储器可以方便的对每个单元进行操作。灵敏放大器是用来在读取存储单元的内 容时，对位线的互补信号进行放大，以缩小存储器的访问时间，详细的内容见灵敏放大 器设计这一章。图2 1 显示了s r a m 的结构框图。 图中a x 为地址输入端，w e 、c e 为控制端，控制存储器的读写操作，低电平有 效。d i n 和d o u t 为数据输入，输出端。存储阵列中的每个存储单元都与其他单元在行和 列上共享电学连接。通过输入的地址可选择特定的字线和位线，字线和位线的交叉处就 是要选中的进行读写的存储单元。按这种方法，每一个存储单元唯一选中。有的存储器 设计成多位数据，如4 位或8 位等同时输入和输出，这样的话，就会同时有4 个或8 个 储存单元按上述方法选中进行读写操作。 7 江南大学硕士学位论文 2 2s r a m 存储单元 图2 is r a m 结构框图 c e 呃 s r a m 靠双稳态电路存储数据，通过在字线和位线上施加电压和电流可以实现对数 据的操作。根据负载的形式不同，s r a m 有几种存储单元形式：采用p m o s 晶体管作 负载的全c m o s 单元；另外还有用大电阻作负载h r l ( h i g hr e s i t i v el o a d ) 和用薄膜晶 体管1 1 叮( t h i n f i l mt r a n s i s t o r ) 作负载的存储单元。用电阻作负载的存储单元静态功 耗大，很少应用在有低功耗要求的场合。用薄膜晶体管作负载可减小单元面积，但电流 驱动能力差。c m o s 类型单元在低电压上应用较为广泛。 2 2 1 标准c m o s 存储单元 采用p m o s 晶体管作负载的全c m o s 存储单元为标准六管结构，它由两个交叉耦 合的反向器加两个访问传输管构成，如图2 2 所示。采用c m o s 六管结构既可以消除单 元的静态直流功耗，同时高电平是由p m o s 管导通来保持，消除了闽值损失并具有较强 的抗干扰能力，可以避免a 软失效的发生。 8 一一 至三雯! ! ! 坠! 坠坚鳖堡丝塑-。_-。_-_。-_。_。-_-_。-。_-。_。_。 图2 2标准的c m o ss r a m 六管单元 图2 2 中m 1 、m 2 和m 3 和m 4 组成的两个交叉耦合的反向器，构成了一个双稳态 触发电路，用来存储逻辑“0 ，和“1 ”。p m o s 晶体管m 1 和m 3 称为负载晶体管。而n m o s 晶体管m 2 和m 4 被称为驱动管。m 5 和m 6 称为传输管。两个传输管用来将存储在单 元中的数据和外界联系起来，存储单元的读和写操作都是通过这两个传输管进行的。当 读时，存储在存储单元中的数据通过传输管被“放”到位线上，再通过灵敏器放大器放大 后读出；当进行写操作时，位线上的数据通过传输管写进单元。这种六管存储单元具有 较高的稳定性，而漏电流和静态功耗小，并且这种结构不容易发生软错误。对于采用标 准c m o s 工艺、六管结构的存储单元，当工艺变化时，其电路的改进也很容易。所有 这些特点使得c m o s 六管存储单元应用很普遍。 2 2 2 电阻负载的存储单元 电阻负载的存储单元的在结构上和六管存储单元非常相似，唯一的差别是：构成存 储单元的两个反向器中的p m o s 管用电阻代替。为了减小功耗，这个电阻的阻值必须很 大。采用电阻做负载，可以减小存储器的面积开销，加大存储器的位密度。但国外学者 研究表明：当电源电压降低，工艺尺寸不断减小时，电阻负载存储单元的静态噪声容限 将比六管单元小得多【1 ”。同时，增加的工艺步骤也增加了存储器的生产成本。图2 3 显 示了以电阻做负载的存储单元。 因为在数据保持状态，节点n 1 和n 2 必有一个为高，使得从电源v c c 到地有一个 导通电流流过，造成电阻负载的存储单元的静态功耗比较大。因此，在有低功耗要求的 场合，电阻负载的存储器用得很少。电阻负载的存储单元的读写操作类似于六管存储单 元的读写操作。 9 江南大学硕士学位论文 2 2 3t i 吓负载的存储单元 图2 3电阻做负载的存储单元 采用六管的c m o s 存储单元既可以减小单元的静态功耗，又可以保证单元存储信 息的稳定性【l3 1 。但是常规的c m o s 单元由于要做阱，占用的面积较大，不易于提高存 储密度。因此近年来在一些高密度的存储器中，采用一种多晶硅薄膜晶体管( t f t ) 做 负载的存储单元。由于这种薄膜晶体管可以做在n m o s 管的上面，形成一个立体的结 构，因此采用这种单元构成的存储器的密度有明显的提高l l m 。 由于薄膜晶体管不是体硅材料制作的，所以其性能要比体硅m o s 晶体管差。制作 薄膜晶体管最关键的一点是提高它的导通电流，减小它的泄漏电流。提高导通电流可以 提高工作速度和单元的稳定性：减小泄漏电流将减小单元在维持状态下的功耗【l5 1 。 2 3s r a m 单元工作原理 静态的六管c m o s 单元既可以消除单元中的静态直流功耗，同时具有很强的抗干 扰能力。六管单元主要用在高速、低功耗和噪声干扰的环境中，虽然其版图面积较大， 但与其他类型的存储单元结构相比，c m o s 六管单元结构具有很明显的优势。本文设计 的s r a m 采用标准的六管结构。 2 3 1 数据写入 假设数据“1 ”存放在六管c m o s 单元中，即q = “l ”，q = 0 。当要往存储单元中写 入数据0 时，首先要使片选信号c e 有效，利用地址译码器选中要操作的单元，然后让 写使能信号w e 有效。在位线b l 和b l 上分别加上低电平和高电平，字线、。上加上 高电平，传输管m 5 、m 6 导通，把b l 和b l 上的信号分别传送到q 和q 点，从而使 q = 0 ，q = “l ”，数据0 就被写入锁存器中。写入数据“l ”的过程与此类似。在写操作 初期，s r a m 电路图的简化模型如图2 4 所示。 i o 墨三兰! ! ! 坠! 坠坚鳖堡丝塑 一 一 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ 一一 图2 4 存储单元的写操作( q = 1 ) 期间简化模型 由于s r a m 存储单元做成阵列结构，多个存储单元共用一根字线，在连续进行写 入操作时，如果时序上配合不当，就有可能前次位线上的数据将同一根字线上的其他单 元中的数据改写，设计速度较快的存储器时尤其要注意这点。s r a m 单元各m o s 管的 尺寸也要配合恰当，在保证数据能够写入的前提下，尽量提高写入速度。 2 3 2 数据读出 若单元存储数据为“1 ”，在进行读操作时，首先对两条位线b l 和b l 预充电，一般 预充电至电源电压v d o ，主要是为防止发生错误操作。使选中单元的字线w l 为高电平， 两个传输管m 5 和m 6 导通。b l 维持在它的预充电值，而b l 通过m 1 - m 5 放电，从而 把存放在q 和q 中的值传送到位线上。因而在位线b l 和b l 上得到正向的电压差，即： a v = v b l v a l 0( 2 1 ) 若单元存0 ，则位线b l 通过单元中导通的m 4 和m 6 放电，而位线b l 保持预充 的高电平。这样在两侧位线上得到一个反向的电压差。 v 髫b l - v 砒 - - v t ，就会造成m 2 导通。 m 2 导通又会使q 点电位下降，由于正反馈的作用最终有可能使电路发生错误的翻转。 因此在进行单元设计时应对这一问题进行充分的考虑。 则有： 1 2 第二章2 5 6 k bs r a m 整体结构 i d s i = i d s 2 i d s 2 = i d s 6 m o s 管工作在饱和区和线性区的电流分别为： i d s a t = ip ( v g s v t ) i d l i n = v d s g s v t - _ 1v 。s ) 图2 6 噪声容限的等效电路 其中rp 是m o s 管的跨导，将( 2 5 ) 式和( 2 6 ) 式代入( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 式； p ，v d s ( v 。s - 一v t - 三v 。s - ) = 三p ：g s ：一v t ) 2 4 v d s 4 ( v g s 4 v 。寻v 。s 4 ) = 寻p 6 ( v g s 6 v t ) 2 化简可得： g s 2 v t ) 2 = 三里v 。s l 0 s 1 v t i vd s l ) g s 6 - v t ) 2 = 2 r v d s 4 ( v o s 4 v t 妻v d s 4 其中谭普tf 罟雌尔霍夫定理讯 v g s 2 武n 战d s 4 i v o s l = v d d v n v d s 4 i v o s l l = v d d - v i q v d s 4 v d s 6 = v d i y v d s 4 将( 2 11 ) - - ( 2 1 4 ) 代入( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 可得 ( 2 - 3 ) ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 陀1 2 ) ( 2 1 3 ) 佗1 4 ) ( v n + v 。s 4 - v v ) 2 = g ，( v d d - v n - v g 曲s v t - v n 一2 v 。s 4 + v g s 4 ) ( 2 1 5 ) ( v s - v 。s 4 ) = 2 r v d s 4 ( v 。s 4 一、，t i v y )f 2 1 6 ) 其中，v s = v d v v r 江南大学硕士学位论文 联立方程( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) 求解可以得到六管单元的最坏噪声容限： s n m s t = v t 一( 由) v 。一等v tv 。制t 舌+ 胁 ( 2 1 7 ) 舯v r = v s 。( 南) v t ，j = ( 南) ( 、鬲靠一) 同理可推得4 t - 2 r 单元的噪声容限为： s n m r ：瓦- 石- r - 1 v t + 型土! 笔掣v s ( 2 - 1 8 ) 对于4 t - 2 r 单元来讲，上述的s n m r 的表达式对于v d d 是有一定限制的，即： 嘶n 钏+ 而1 ) 甓x 2 r 等岩r 石h t ( 2 - 9 ) “+引2 + f + l 一川。一l 由噪声容限的表达式我们可以得出以下结论17 】： ( 1 ) 6 t 单元与4 t - 2 r 单元的静态噪声容限( s n m ) 都与阈值电压v t 、电源电压v d d 以及驱动管、存取管1 3 的比值有关，而与1 3 值本身的大小没有关系。因此，仅仅依靠工 艺来提高p 值并不能提高存储单元的稳定性。 ( 2 ) 增大单元比率r 均可提高6 t 单元与4 t - 2 r 单元的噪声容限，但对于六管单元来 讲，只要r 0 ，s n m 6 t 就大于o ；而4 t - 2 r 单元的s n m r 在其r = l 时就已经减小为零。很 显然多晶硅电阻负载单元的静态噪声容限对于r 的依赖性很大，必须设计较大的r 值才 能保证单元的稳定工作。因此我们可以看出在大容量的存储器设计中，六管单元较4 t - 2 r 单元具有更高的工作稳定性。在设计