一种新型BiCMOS灵敏放大器设计

马利峰，王浩然（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都　610054）

一种新型BiCMOS灵敏放大器设计

马利峰，王浩然
（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都610054）

本文设计了一种应用于反熔丝型OTP存储器的新型BiCMOS灵敏放大器电路。本设计的电路运用了BiCMOS技术，以运放结构为基础，结合预充电和放电控制机制，能够将编程后呈高阻抗状态的反熔丝成功读出为导通状态。最后，在TSMC公司的0.18 μm工艺库下进行Spectre仿真，仿真结果显示最大读取时间仅为13 ns，同时仿真结果验证该灵敏放大器具有读取速度快，读取数据稳定以及准确性高的特点。

BiCMOS；灵敏放大器；预充电；反熔丝

反熔丝型存储器属于一次可编程（OTP one time programmable）存储器［1］，与传统的浮栅型存储器件相比较而言，反熔丝型存储器具有很好的保密性以及优良的抗辐照性能，因此反熔丝型存储器在保密要求高、只需要一次编程等的场合，比如航空航天、太空系统等的应用非常广泛。反熔丝型存储器的基本原理是利用其编程前后表现出来的导电能力的巨大差异来分别表示“0”和“1”两种状态。理想情况下，反熔丝编程前保持在断开状态，而编程后显示为连通状态［2］。数据读取速度作为存储器性能的一项非常重要的指标，因此提高存储器的读取速度就显得非常重要，OTP存储器的读取速度主要由读出电路中的灵敏放大器来决定的。灵敏放大器是OTP存储器的关键部件之一，其读取速度直接决定了存储器的读取时间，灵敏放大器的读取准确性决定了存储器读取的准确性，因此灵敏放大器性能对设计要求非常高。然而，传统的灵敏放大器运用的是CMOS电路，具有功耗低、集成度高等特点，但就读取速度来说远远不如双极型器件。为了提高读取速度，近年来BiCMOS电路越来越多的被应用于电路设计中。BiCMOS技术是Bipolar技术与CMOS技术的结合，它是以CMOS器件作为基本的电路结构，而在要求高速或大负载的部分，加入双极型器件或电路，因此BiCMOS电路同时兼具了CMOS电路高集成度、低功耗的优点和双极型电路高速、强电流驱动能力的优势［3］。

因此，本文设计了一种应用于OTP存储器的新型BiCMOS灵敏放大器，保证了快速而准确的读取操作，并且具有抗噪声，抗干扰能力强的优势。

1　BiCMOS灵敏放大器的电路结构及其工作机理

1.1电路结构

如图1所示是BiCMOS灵敏放大器的完整电路结构。电路结构包含了BiCMOS运放结构：两个双极型器件Q1、Q2构成的差分对，两个NMOS管N10、N11构成的电流镜，一个电流控制管N12；还包含一个P型MOS管P1构成的预充电结构；另外还有3个电流通路CH1、CH2、CH3；其中PMOS器件P2和NMOS器件N2、N3构成电流通路 CH1，NMOS器件N3、N4、N5、N6、N9构成了电流通路 CH3，PMOS器件P2和NMOS器件N7、N8、N9构成电流通路CH2。运放的下一级接的是两个经过特殊设计的具有特殊翻转阈值的CMOS反相器以保证运放的输出电平可以被转换为正确的逻辑电平，反相器后一级接一个特殊结构的DICE锁存器，通过调整DICE和读取信号的时间差，可以保证稳定正确的输出。对于反熔丝结构，经过实验验证，反熔丝结构可以通过并联一个电阻和一个电容来示意。控制信号CTR1由“0”翻转为“1”即由0 V翻转为3.3 V后，若需要读取某个反熔丝单元的信息，则OPT信号置“0”选中某个反熔丝单元，从而整个灵敏放大器开启，适当调整DICE锁存器的控制信号CTR2，CTR3的开启时间，在锁存器前一级的输出信号temp稳定后DICE开启，则可以保证读出的数据稳定正确。

1.2工作机理

如图1所示，P2作为反熔丝器件的选择管，用于决定是否选中该位线上的反熔丝结构，本文假定OPT信号在灵敏放大器CTR1为高电平开始工作1 ns后转换为低电平，此时该反熔丝单元被选中；Q1、Q2和N10、N11构成典型的差分运放结构，完全对称的双极型器件PNP管Q1、Q2构成差分对，N10、N11构成电流镜结构，N12作为为运放结构的电流源同时控制运放结构是否工作。当Q1、Q2两侧节点Y1、Y2形成一定的电压差时，运放结构输出稳定的高电平或者低电平，继而被后面的反相器转变为相应的逻辑电平。在反熔丝OTP存储器的灵敏放大器中，差分电压的形成起了非常重要的作用，文中的灵敏放大器的差分电压是由电流通路CH1、CH2、CH3来决定的［4］。

图1　BiCMOS灵敏放大器电路结构

电路工作时首先进入预充电状态［5］，图1中输入控制信号CTR1是灵敏放大器的启动信号，当CTR1为低电平时，预充电管P1管开启，N12管关闭，从而将节点COUT置为高电平，此时灵敏放大器不工作，锁存器控制信号CTR2，CTR3无效。同时当信号CTR1为低电平时，通路CH1和CH2均为关断状态。当CTR1转换为高电平时，P1管关闭，N12管开启，此时运放结构有了一个稳定的电流，因此灵敏放大器开始工作，通过反熔丝结构的放电电流大小不同，结合该运放结构，可以得到不同的输出电平，从而将反熔丝的编程或者未编程两种状态表现为高低电平的输出。接下来分析节点Y1、Y2形成电压差的过程。在Y1、Y2两个节点的电压差形成过程中，NMOS管N8是形成逻辑通路决定电压差的关键器件。

在反熔丝成功编程后，击穿后的反熔丝表现为一个大电阻，此时流过存储单元R1的电流比较大，N8管的源极节点S的电压由NMOS管N3、N4、N5、N6、N9进行分压得到，N8管的栅漏短接，栅极节点D的电压由电阻R1，MOS管P2、N8降压得到，由于R1较小，因此节点D分得的电压比较大，栅源电压能够达到NMOS的开启电压，此时N8管正向导通，电流通路CH1和CH2均开启，经过存储单元与各个NMOS管的分压，节点Y2比节点Y1高出了一定的电压，差分运放中电流镜负载管尺寸相同，差分输入管尺寸相同，以保证对称，所以当VY2＞VY1时，节点COUT迅速被稳定在高电平。

当反熔丝未编程时，反熔丝的性质决定了其表现为一个电容或者开路，流过存储单元的电流非常小，此时N8管的栅极节点D分压变小，栅源电压就比较小，未达到开启电压，因此只有通路CH1打开，通路CH2中因为N8管反向截止，所以通路CH2断路。此时节点Y1的电压由NMOS器件N3、N4、N5、N6进行分压得到，分压以后，VY1＞VY2时，节点COUT迅速被稳定在低电平。

P型MOS管P2用来控制反熔丝是否被选中，在某些研究中，此处采用的为N型器件［6］，然而在灵敏放大器同时控制许多个反熔丝单元读取的情况下用P型器件会比N型更有利。若采用N管控制（假设为NM），则OPT信号跳为高电平时打开NM，但NM管不会立刻打开而是需要等待源极放电到源极电压比栅压低一个阈值电压后才会开启。同时大量并联的反熔丝会带来较大的位线电容［7］，这些电容包括存储单元本身的栅极电容以及与反熔丝单元相接的控制管的结电容等。假若控制管的尺寸大到一定程度，其影响便不可忽略。根据公式（1）

可得

假设电流为100 μA，平均每个反熔丝单元对COM点带来的电容C1为10 fF，当放大器同时连接256个反熔丝时，计算得电压下降一个阈值电压计算所需的时间为25.6 ns，这在灵敏放大器正常工作时是不能容忍的。而运用P型器件则不会出现此类问题，OPT信号转为低电平后P2会立刻打开。

为了保证读取操作的准确无误，使读出的数据真实可靠，提高存储器的可靠性，在读取通路上采用了DICE采样锁存电路。DICE锁存结构通过采用单管反相器构成反馈环，稳定性很高。在读脉冲的控制下，DICE电路起到过滤无效信号，锁存有效信号的作用。DICE锁存器，采用了特殊的四点冗余的结构，将两个交叉反相器对连接成双向反馈反相器，形成互锁结构［8］，保证了温度等外界干扰对电路的影响很小。锁存器的采样信号的有效时间比运放的输出信号延迟一定的时间，这就保证了读出数据的稳定可靠，并消除了毛刺，大大减少了读取通路上数据被破坏的可能性，提高了存储器的抗噪声，抗干扰的能力。

对于读出信号可以识别的反熔丝电阻的阻值范围，因为阻值主要决定了反熔丝的放电电流的大小，不同的放电电流会导致N8管的状态和通路的分压不同，为了提高可以识别的电阻阻值，可以通过调整节点Y2、Y1的电压，即通过对器件尺寸进行调节来改变，比如减小N9管尺寸，在读反熔丝未编程时VY1电压会上升；或者增大N1、N2管的尺寸，节点VY2的电压降低。因此通过调节器件的尺寸，可以调节可读通电阻的临界值Rcritical和灵敏放大器的读取数据的时间，下面通过仿真进行说明。

2　仿真结果

文中利用的是Cadence软件的Spectre仿真工具进行电路仿真。首先，通过对运放的仿真，运放结构的输出temp在10 ns左右后会达到几乎稳定的状态，因此调整DICE锁存器的控制信号CTR2、CTR3有效时间，使得其比灵敏放大器的有效时间延迟约10 ns，从而能锁存到稳定的读出信号，因此能保证读出信号的稳定正确。加给各激励信号波形图如下图2所示：

电路中的几个重要器件大小设置为：

2.1可读通电阻临界值

电源电压取3.3 V，将反熔丝结构电阻设为参数r，利用Cadence软件的Spectre仿真工具对参数r进行瞬态分析，电路输出OUT的spectre仿真波形结果如图3所示。

图2　各个控制激励信号

图3　可读通电阻临界值仿真波形

在图3中，可以看到可读通的电阻临界值Rcritical为85左右［4］，当电阻达到或者超过85 kΩ时，读出数据的电平发生了翻转。通过实验测试验证，85 kΩ的阻值已经完全能够满足反熔丝击穿后的电阻特性，因此电路器件的尺寸设计达到了实际要求。要提高可读通电阻的阻值范围可以通过降低反相器INV1的阈值电压的方法。为了读出稳定电平，DICE锁存器的控制信号比前一级放大器的开启信号滞后10 ns，以便锁定稳定正确的数值。

2.2新型BiCMOS灵敏放大器的读出速度

由于衡量存储器性能的主要指标是其对数据的读取时间，OTP存储器的读取时间指的是从接收到地址信号的上升沿到数据信号稳定输出的整个过程的延迟时间，本文选用BiCMOS运放结构的灵敏放大器，与传统的CMOS型灵敏放大器相比，BiCMOS结构可以大大提高灵敏放大器的读取速度。Rcritical为85 kΩ时可以满足反熔丝击穿后的阻值范围，因此参数的设置就按上文中所述的参数。

首先验证反熔丝成功编程，呈现一个电阻时，灵敏放大器读信息“1”的时间。

设R=1 kΩ，电路响应的波形如图4所示：其中temp信号为锁存器前一级输出信号，从图中可以看出从控制信号变化到读出稳定高电平输出的时间约为13 ns。

接下来研究反熔丝未编程，呈现一个电容时，灵敏放大器读取信息“0”的时间。

设R=10 MΩ，经过仿真，电路输出波形如图5所示。

从图中可以看出读出“0”信号的时间约为8 ns，因而得到新型BiCMOS灵敏放大器的最慢读取时间为13 ns，读取速度相比以往的CMOS灵敏放大器有了巨大的提高，同时结合DICE锁存结构，读出的结果更加稳定准确。

图4　“1”信号的读出时间

图5　“0”信号的读出时间

3　结　论

本文介绍一种结合了BiCMOS运放结构、预充电结构和DICE锁存器结构的灵敏放大器电路结构，对该结构的电路组成及工作机理作了详细的分析，并通过仿真验证了分析的正确性。仿真结果证明电路能够将大阻抗反熔丝单元顺利读出为导通状态，另外，通过电路中关键器件的尺寸的选择可改善放大器的电阻可读出性，通过DICE锁存器结构可以增加读出数据的稳定性。

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［6］J R Morrish，John T Phan.Imbalanced sense amplifier fuse detection circuit.US，6426668 B1［P］.2002-07-30.

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A new design of BiCMOS sense amplifier

MA Li-feng，WANG Hao-ran
（School of Microelectronics and Solid-state Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

In this paper，a new type of BiCMOS sense amplifier for the antifuse OTP memory was proposed.This sense amplifier consisted of operational structure，precharge and discharge control circuits.And it used the BiCMOS technology. This amplifier could successfully detect the antifuse which was programmed and still had very high resistance.Finally，the simulation was implemented with the library of TSMC 0.18um process and the tools of this process was Spectre simulator.The simulation result showed that the access time of this sense amplifier was only 13 ns，and indicated that the sense amplifier had very excellent performances in speed，stability and accuracy.

BiCMOS；sense amplifier；precharge；antifuse

TN433

A

1674－6236（2016）11-0173-04

2015-06-22稿件编号：201506200

马利峰（1988—），男，河南偃师人，硕士研究生。研究方向：超大规模集成电路设计。