摘要：本文通过使用already-on(native)元件所提出的阵列式灵敏放大器的改进结构，虽然该结构会使版图的面积增大，芯片的成本增加；但在它处于低功耗模式时，可有效的感应位线上更小的充电电流。并且在没有其它功耗增加的基础上，性能却得到了提高。并且它的设计简单，在具体的工艺过程中很容易实现。
关键词：EEPROM单元；阵列式灵敏放大器；Already-on(native)元件

1介绍

非挥发性存储器EEPROM由于在电源消失后，存储后的数据依然存在，且擦除简单的特点。使得EEPROM广泛用于可改写易使用的数据存储领域，如智能卡、非接触卡、移动通讯和微控制器等^[1][2]。

灵敏放大器是EEPROM中最重要的电路之一，它负责将存储器件中存储的内容读出来。对灵敏放大器最基本的要求就是读取数据准确；不仅如此，还要求加快读取的速度，并且减少它的功耗。下文将介绍一种性能提高而功耗不增加的改进型阵列灵敏放大器的设计。

2.1设计思想

灵敏放大器在可编程逻辑器件的功耗性和可靠性方面起着举足轻重的作用。它可通过加速位线过渡过程，也可通过检测位线上很小的过渡变化并把它放大到较大的信号输出摆幅来弥补存储单元有限的扇出驱动能力。从而实现减小延时改善性能的要求^[2]。但是，随着技术的不断改进，灵敏放大器的高功耗静态电流Icc要求越来越少。而且，它低功耗的电流设计目标也要求实现成倍的减少。若采用传统的增强型感应器件则无法感应出如此小的位线充电电流，在这里如果增加一个already-on(native)器件，将会出现什么样的结果呢？

2.2Already-on(native)元件的结构及其特性

在本论文中所涉及到的Already-on(native)元件是一种MOS结构，它与一般MOS结构不同的是元件本身不在Nwell中也不在Pwell中，它的MOS结构直接制作在P衬底中，其元件结构如图一所示。根据这种结构特点，它有以下几个特性^[3]：

图一  一般NMOS元件、PMOS元件及在此所提出的already-on(native)元件的剖面结构图

1）它的稳态电压（阈值电压V_t）与其通道长度几乎是线形关系，这使得already-on(native)元件的设计应用更加容易的被精确控制，并使得它的阈值电压更低。

2）  通过负电压产生电路内建到晶片上，此负电压可以让元件关闭到比一般元件更低的漏     电流，这样IC的功耗可以达到更低。

3）  这种already-on(native)元件的制作不须额外的成本，且与现有的工艺过程完全兼容。

2.3阵列式灵敏放大器的工作原理

目前，大多数可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）为了实现低功耗的要求，通常会根据器件所处理的任务强度不同而实现不同的功耗模式，以达到降低总功耗。所以会根据控制信号的不同，通过电压转换器采用多电压模式，从而实现低功耗和高功耗两种状态。本文所设计的阵列式灵敏放大器就有此功耗模式的要求。

图二是该阵列灵敏放大器的逻辑图，DL和SL是来自EEPROM阵列的位线，P是输出，LP是低功耗控制信号，V_HPREE和V_LPREE是低功耗和高功耗时的参考电压。

图二 阵列式灵敏放大器的逻辑图

 电路的工作原理如下：当位线上的所有单元处于非工作状态时，即把DL和SL连接起来，DL通过器件XMNH2和XMP1（在高功耗模式）被上拉到V_HPREE ，而SL通过XMN3器件被下拉至GND。此时，XMN2导通，将把节点H2下拉并且驱动输出P到V_CC。当在位线上的单元处于工作状态时，DL和SL被拉至足够相近，XMN2关断，使得节点H2上拉并且驱动输出P到GND。由于在每个位线上可以提供多于100的EEPROM单元，这使得在位线上产生了巨大的电容。假定一个EEPROM单元处于特定状态时，如在阵列中，所有单元的S端连接在一起，在其电平转换电路控制下，根据操作的不同，呈浮空、接地或者接测试时所给的电压等状态。在此某一状态时，处于高功耗时将有一个最佳的参考电压V_HPREE，这个最佳值将输出P的转换速度平衡到V_CC或者GND。

如图三所示，图中的COL速度表示EEPROM单元导通，而NOR速度表示EEPROM单元关断。该图表明，两者转换所达到最佳性能的参考电压是在2.7V左右。

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