一种用于OTP存储器的灵敏放大器设计

2016-09-13袁同伟孙杰杰胡晓琴中国电子科技集团公司第58研究所江苏无锡214035

电子与封装 2016年7期

袁同伟，潘滨，孙杰杰，胡晓琴（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

一种用于OTP存储器的灵敏放大器设计

袁同伟，潘滨，孙杰杰，胡晓琴
（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

设计了一种应用于反熔丝OTP存储器的灵敏放大器电路，该电路采用电压型灵敏放大，通过严格的读控制时序，该灵敏放大器能够准确无误地读出并锁存反熔丝存储单元的存储状态。电路结构简单、功耗低、电阻识别精度高、抗干扰能力强。仿真验证表明，在典型条件下，整个灵敏放大阶段仅需要8 ns，且满足在不同工作电压及温度条件下的工作需求。

反熔丝；OTP；存储器；灵敏放大器

1　引言

OTP（one time programmable）存储器以其保密性强、可靠性高、存储单元面积小等特点，被广泛应用在对保密性要求较高且只需一次编程的场合，如密钥存储芯片、航空航天、太空火箭、卫星等环境恶劣的地方［1，2］。反熔丝是具有天然抗辐射特性的器件［3］，具有非易失性、体积小、速度快、高可靠性等优点，在大规模存储器中，反熔丝OTP存储器体积小、制造成本低且可靠性高等优势日益凸显［4］。在大容量存储器中，外围电路对存储器性能有着重要的影响［5］，其中灵敏放大器是读出电路的核心单元，决定存储单元的存储状态能否被准确识别并锁存，最终正确读出，同时由于位线较长时，寄生电容对存储器的速度和功耗也起着至关重要的作用。理想的反熔丝单元编程前表现为高阻状态，高达109Ω以上，编程成功后表现为低阻状态，随着工艺的发展，反熔丝编程成功后电阻低至0～200 Ω，反熔丝单元电阻特性与编程电压、编程电流、编程时间等条件紧密相关［6～9］，根据反熔丝编程电阻特性，在编程过程中电阻呈指数曲线减小［10］。为了确保反熔丝编程后的低电阻和良好的一致性，希望分布在稳定的电阻区间内，但由于反熔丝工艺尚未成熟，个别反熔丝编程后电阻一致性较差，需要在编程过程中通过读出校验来识别出未编程彻底的反熔丝。无论在编程或读出过程中，灵敏放大器的读出精度和速度决定着能否快速、准确地识别并读取存储单元的存储状态。

灵敏放大器一般分为电流型灵敏放大器和电压型灵敏放大器［11～12］两种，电流灵敏放大器放大速度快，可以在低电压下工作，但对反熔丝识别精度低。编程后反熔丝电阻分布在kΩ量级以下时电流差异较小，无法精确识别的电阻区间较大，无法精确识别出未彻底编程的反熔丝单元。该区间反熔丝电阻特性不稳定，经过多次读出电流冲击会导致电阻漂移，严重时导致读出数据错误。因此本文设计了一种高精度的电压型灵敏放大器，通过严格的时序逻辑控制整个灵敏放大及数据锁存过程，对反熔丝存储单元编程后电阻识别精度达到欧姆量级，能够快速、准确地识别并在稳定状态下锁存反熔丝存储单元的存储状态，通过调整电路参数，可以满足不同电压（1.8～5.5 V）和温度（-55～125℃）范围内的工作需求。

2　灵敏放大器结构及原理

2.1电流灵敏放大器

电流灵敏放大器工作一般分为两个过程，首先对位线电容的预充电和对部分节点的初始电压设置，然后电流灵敏放大器对节点进行放大。图1、2分别为文献［1］、［2］中OTP存储器中采用的电流灵敏放大器结构。

图1、2中两种电流灵敏放大器均是通过对流过被选中的存储单元位线BL电流采样，与基准电流进行对比，然后对输出电流进行灵敏放大，通过相应的逻辑控制输出存储单元的存储状态。未编程的反熔丝存储单元呈高阻特性，流过位线BL的电流很小（fA级），小于基准电流IREF，灵敏节点输出高电平；对于编程后的反熔丝存储单元，流过位线BL的电流较大（mA级），大于基准电流IREF，灵敏节点输出低电平。

图1　文献［1］电流灵敏放大器

图2　文献［2］电流灵敏放大器

2.2电压灵敏放大器

图1、2中的电流灵敏放大器，对于编程后电阻分布在几十千欧范围的反熔丝存储单元，对电阻的精度要求较低，基准电流设置在μA量级（介于fA和mA之间）即可完成对存储单元存储状态的识别。但随着工艺发展，反熔丝编程后电阻分布逐渐减小，低至0～200 Ω，为了确保反熔丝编程后低电阻及一致性，需要精确识别出反熔丝编程是否彻底，为了实现对电阻的精确识别，需要较大的基准电流，对存储器的功耗和面积都会带来不可忽视的影响。

本文中采用一种电压型灵敏放大器结构，通过对存储单元位线BL节点电压进行采样后放大，读取存储单元的存储状态，不需要额外的基准电流产生电路，通过调整预充电PM0管尺寸和反相器翻转阈值VTH_INV设置可识别的读取电阻临界值，结合严格的时序控制信号，即可实现对存储单元存储状态的精确识别并准确锁存。当反熔丝编程后的电阻值低于读取电阻临界值时，节点D’电压低于反相器INV翻转阈值，节点D输出低电平；当反熔丝编程后电阻值高于读取电阻临界值时，节点D’电压高于反相器INV翻转阈值，节点D输出高电平。在整个工作过程中，采用脉冲驱动放大电路，只有在有效读取时间（ATD_pulse上升沿至PRE&DIS上升沿期间）内才存在从VDD到GND的读取电流通路，通过控制读时序的脉冲宽度可以有效降低读出状态的功耗。同时，在灵敏放大器中，不直接对输出节点D’锁存，采用两级反相器缓冲，提高数据输出的稳定性，同时提高带负载能力，并隔离了外部电路对模拟电路部分的影响，之后采用CMOS传输门将数据锁存到DICE结构中；读取脉冲结束后传输门关闭，不再对信号进行采样，灵敏放大器的输出信号不受前级影响，提高数据输出的可靠性和稳定性，具有较强的抗干扰能力。

电路结构如图3所示。

图3中，ATD_pulse为灵敏放大器读出控制信号，S1、S2为经过延时产生的时序控制信号，控制传输门的开启与关闭，BL为连接存储阵列的位线节点，D’为灵敏放大输出节点，D为D’经过两级反相器缓冲后的信号，Vo_SA为整个灵敏放大器输出信号，PRE&DIS为预充电PM0管和放电清零NM0管控制信号；PM0为预充电PMOS管；NM0为放电清零NMOS管；NM5为编程与读出隔离管，控制信号Prog_VC由编程信号产生，编程时为低电平，NM5关断，读出时为高电平，NM5导通；NM6为读出保护管，Vbias为NM6管的偏置信号，当工作电压较高时，通过偏置信号可以调节传输到BL节点电压不高于反熔丝击穿电压的一半，确保未编程反熔丝在读出状态下的安全。

图3　电压灵敏放大器电路结构

详细工作原理如下：

（1）预充电PM0管对位线BL充电：读控制信号ATD_pulse（高电平有效）脉冲到来前，放电清零NM0管将位线电压保持在零电平；ATD_pulse脉冲到来后，预充电PM0管导通，对被选中存储单元的位线BL充电，同时被选中的存储单元对位线BL放电，PM0提供的充电电流大于放电电流，位线BL及D’节点被充电到稳定状态，对于未编程的反熔丝存储单元，呈现高阻特性，D’节点电压高于反相器INV翻转阈值VTH_INV，反相器INV输出低电平；对于已编程成功的反熔丝存储单元，呈现低阻特性，D’节点电压低于反相器INV翻转阈值VTH_INV，反相器INV输出高电平。

（2）锁存数据：ATD_pulse脉冲到来后，经过延时产生的控制信号S1、S2开启传输门，将节点D的状态锁存到DICE结构中。ATD_pulse脉冲结束后，传输门关闭信号S1、S2比预充电PM0管、清零放电NM0管控制信号先到来，在预充电PM0管未关断之前，先将传输门关闭，保证锁存器在数据稳定状态下锁存存储单元的状态。

（3）开启NM0管对位线放电清零：读控制信号ATD_pulse结束，传输门控制信号S1、S2先关闭传输门，S2控制传输门关闭后，经过一级或非门关断预充电PM0管，同时开启清零NM0管对BL进行放电清零。

3　仿真结果

灵敏放大器电阻临界值设置为300 Ω，当反熔丝编程后电阻R小于300 Ω时，灵敏放大器输出端Vo_SA输出低电平；当反熔丝编程后电阻R大于300 Ω时，灵敏放大器输出端Vo_SA输出高电平；采用不同电阻值代替反熔丝器件对灵敏放大器进行仿真，其仿真波形如图4所示，图中波形从上至下依次为ATD_pulse、S2、PRE&DIS、D’、BL和Vo_SA。

从图4中可以看出，读时序控制信号ATD_pulse高电平到来后，D’节点电压从0电平开始升高，经过几纳秒的充电，D’节点电压趋于稳定。当反熔丝编程后电阻低于临界电阻时，D’节点稳定电压不会高于反相器翻转阈值VTH_INV，对于编程彻底的反熔丝存储单元（即R＜300 Ω），Vo_SA会一直处于低电平，在任何时刻锁存数据都不会导致读‘1’（编程后反熔丝存储单元状态）错误；当反熔丝编程后电阻高于临界电阻时，D’节点稳定电压才会高于反相器翻转阈值VTH_INV，如果在节点D’电压未高于反相器翻转阈值VTH_INV时锁存器关闭，将会导致读‘0’（未编程反熔丝存储单元状态）错误，所以读出时间主要取决于在读‘0’时节点D’电压充电到反相器翻转阈值VTH_INV的时间，读取有效时间（ATD_pulse上升沿至S2下降沿）要大于最大的充电时间。

图4　不同R值时灵敏放大器仿真波形

由工作原理可知，对位线进行充电与放电是同时进行的，设充电时间为tPRE，充电电流为IPM0，放电电流为IDIS，反相器翻转阈值VTH_INV，D’节点电容为CD’，每个存储单元电容为CCELL，每根位线上带有N个存储单元，位线BL上的电容为：

D’节点电压充电到VTH_INV，BL节点电压将被充电到VBL：

由式（4）可知，由于位线上一般都带有较多的存储单元，所以CCELL远大于CD’，充电时间tPRE主要由反相

由CV=It得：

由式（1）、（2）、（3）得：器翻转阈值VTH_INV、充电电流IPM0、放电电流IDIS、存储单元电容CCELL决定。提高灵敏放大器读取速度的主要措施是增大PM0管尺寸以提高预充电电流、减小存储单元电容，但读取电流较大时，反熔丝电阻特性会发生变化。故在设计过程中，需对读出速度和反熔丝可靠性进行折中考虑。在完成设计后，反相器翻转阈值VTH_INV为定值，但IPRE随着VD’节点电压升高逐渐减小最后趋于稳定，IDIS与反熔丝存储单元的电阻R相关，电阻R越小IDIS越大，所以反熔丝编程后电阻R越大，节点D’充电到VTH_INV的时间越短，即在临界电阻值时充电到VTH_INV所需要的时间最长。

在CBL=6 pF、R=300 Ω条件下灵敏放大器的仿真结果如图5所示，在此条件下，电阻临界处需要的最长读‘0’时间为7.6 ns。

该灵敏放大器电路能够满足在不同的工作电压和温度下工作，通过调整灵敏放大器中管子尺寸及反相器翻转阈值，可以得到不同工作电压下合适的临界读出电阻值。表1列出了在CBL=6 pF条件下几种温度和电压组合下读‘0’所需要的时间。

图5　CBL=6 pF、R=300 Ω时读‘0’时间

表1　几种电压及温度下的读‘0’时间

4　结束语

本文设计了一种应用于反熔丝OTP存储器的电压灵敏放大器，通过控制灵敏放大器的时序，在稳定状态下实现对数据的锁存，确保数据识别的精度和锁存的准确性。仿真验证表明，在CBL=6 pF负载条件下读‘0’时间仅需要7.6 ns，整个灵敏放大阶段仅需8 ns （ATD_pulse上升沿到PRE&DIS下降沿），即可实现对反熔丝存储单元存储状态的准确读取并锁存。该电路结构简单、功耗低、电阻识别精度高、抗干扰能力强，通过调整电路参数，同时可以满足不同电压（1.8～5.5 V）和温度（-55～125℃）范围内的工作需求，均能实现快速、准确的识别并锁存数据。

［1］焦俊陶.反熔丝存储器设计技术研究［D］.成都：电子科技大学，2011.

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Design of a Sense Amplifier for OTP Memory

YUAN Tongwei，PAN Bin，SUN Jiejie，HU Xiaoqin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

The paper presents a voltage-mode sense amplifier for anti-fuse OTP memory.The strict read control timing enables accurate access and latching of the storage status.The circuit has many advantages including simple structure，low power consumption，precise resistance identification and excellent anti-interference capability.Simulation results show that the entire amplification duration is merely 8ns under normal condition.Besides，the amplifier is capable of working at various voltage and temperature conditions.

anti-fuse；OTP；memory；sense amplifier