TWI488190B - 低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法 - Google Patents

Description

低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法

本發明是有關於一種電流感測放大器，特別是有關於一種低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法，以降低差動電流鏡的偏移值。

在科技日益進步的今日，各種不同的電子產品帶給人們舒適便利的生活。而在這些電子產品中，記憶體積體電路扮演著舉足輕重的角色。且依照其資料儲存的特性，一般可分為揮發性(Volatile)記憶體以及非揮發性(Non-Volatile)記憶體。

非揮發性記憶體指的是能在沒有電源提供的情況下，能將資料儲存住，其已廣泛地被使用在記憶卡或隨身碟等之中。隨著市場對於記憶體的存取速度及存取正確性要求越高，但耗能要求卻越低時，該如何加速記憶體存取速度及提高存取準確性以符合市場需求的問題便一再地被討論。目前的議題常發生於電流感測放大器(Current Sense Amplifier)的電壓或電流偏移(Offset)過大的問題。電壓或電流的偏移會影響電路系統的品質，於記憶體的電流感測放大器中，輸入偏移的電流或電壓會造成檢測精確度的不穩定而降低讀取速度與導致讀取錯誤。

請參閱第1圖，其係為傳統的電流感測放大器之示意圖。如圖所示，習知的電流感測放大器常因為差動電流鏡中電晶體的不對秤，導致輸入感測放大器比較的細胞電流ICELL與參考電流IREF不臻理想；使得在提升記憶體的讀取速度與精確度時受到限制。因此，如何有效地降低差動電流鏡的偏移值以提升記憶體的存取速度與精確度即成為本發明所欲解決的問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法，以解決習知的技術，其因差動電流鏡中電晶體的不對秤，導致輸入感測放大器比較的電流不臻理想的問題。

根據本發明之目的，提出一種低飄移偏差之電流感測放大器，其包含一感測放大器、一第一電流供應單元、一第二電流供應單元以及一處理單元。感測放大器具有一第一耦接端以及一第二耦接端。第一電流供應單元係耦接該第一耦接端，該第一電流供應單元具有一第一電晶體組及一第一電流輸出端。第二電流供應單元係耦接該第二耦接端，該第二電流供應單元具有一第二電晶體組及一第二電流輸出端。處理單元係耦接該第一電流供應單元以及該第二電流供應單元，該處理單元根據該第一電流輸出端以及該第二電流輸出端各別輸出之複數個電流，以各別控制該第一電晶體組與該第二電晶體組中部分電晶體的開與關。

根據本發明之目的，又提出一種放大器操作方法，適用於一低飄移偏差之電流感測放大器，該低飄移偏差之電流感測放大器具有一感測放大器、一第一電流供應單元、一第二電流供應單元以及 一處理單元，該放大器操作方法包含下列步驟：根據該第一電流供應單元之一第一電流輸出端輸出之電流，控制該第一電流供應單元之一第一電晶體組中部分電晶體的開與關；以及根據該第二電流供應單元之一第二電流輸出端輸出之電流，控制該第二電流供應單元之一第二電晶體組中部分電晶體的開與關。

其中，第一電晶體組更包含一第一開關組；第二電晶體組更包含一第二開關組，該處理單元根據該第一電流和第二電流各別輸出端所輸出之該複數個電流，比較出一電流平均值，以控制該第一開關組和第二開關組中部分電晶體的開與關。

承上所述，依本發明之低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法，其可具有下述優點：

此低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法可確切的選擇出電流偏移量較小之電晶體，即使用製程飄移量小的電晶體，來降低差動電流鏡的偏移值；並進一步提升記憶體的存取速度與精確度。

I_CELL、I_REF、I_MEAN‧‧‧電流

2‧‧‧電流感測放大器

20‧‧‧感測放大器

201‧‧‧感測放大單元

MD‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

21‧‧‧第一電流供應單元

22‧‧‧第二電流供應單元

23‧‧‧處理單元

InL‧‧‧第一耦接端

InR‧‧‧第二耦接端

SED、LS1~LSN、RS1~RSN‧‧‧數位信號

SL1~SLN、ML1~MLN、SR1~SRN、MR1~MRN‧‧‧電晶體

S51~S53‧‧‧步驟流程

第1圖 係為傳統的電流感測放大器之示意圖。

第2圖 係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之方塊圖。

第3圖 係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之電路示意圖。

第4圖 係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之電 流分佈示意圖。

第5圖 係為本發明之放大器操作方法之流程圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第2圖，其係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之方塊圖。如圖所示，本發明之低飄移偏差之電流感測放大器2包含了一感測放大器20、一第一電流供應單元21、一第二電流供應單元22以及一處理單元23。第一電流供應單元21係耦接感測放大器20之一端；第二電流供應單元22係耦接感測放大器20之另一端。而處理單元23連接第一電流供應單元21以及第二電流供應單元22。請參閱第3圖，其係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之電路示意圖。如圖所示，感測放大器20具有一感測放大單元201、一第一電晶體MD、一第二電晶體M2以及一第三電晶體M3。其中，第一電晶體MD的汲極耦接第二電晶體M2以及第三電晶體M3的源極，且第一電晶體MD透過一數位信號SED的電位來控制流進感測放大單元201的電流開關。第二電晶體M2以及第三電晶體M3的汲極係分別耦接感測放大單元201。並且，第二電晶體M2以及第三電晶體M3的閘極係分別具有一第一耦接端InL以及一第二耦接端InR。

第一電流供應單元21包含兩組電晶體組：第一組電晶體組以及第二組電晶體組；第一組電晶體組具有N個電晶體SL1~SLN；第二組 電晶體組亦具有N個電晶體ML1~MLN。其中，第一組電晶體組N個電晶體SL1~SLN的汲極係分別耦接第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN的源級；第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN的閘極與汲極係皆耦接在一起以形成一端點，該端點並耦接該第一耦接端InL。第二電流供應單元22亦包含兩組電晶體組：第三組電晶體組以及第四組電晶體組；第三組電晶體組具有N個電晶體SR1~SRN；第四組電晶體組亦具有N個電晶體MR1~MRN。其中，第三組電晶體組N個電晶體SR1~SRN的汲極係分別耦接第四組電晶體組N個電晶體MR1~MRN的源級；第四組電晶體組N個電晶體MR1~MRN的閘極與汲極係皆耦接在一起以形成一端點，該端點並耦接該第二耦接端InR。並且，上述感測放大器20、第一電流供應單元21以及第二電流供應單元22中所具有之電晶體皆可為P型金氧半場效電晶體(P-Type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET或PMOS)。

此外，本發明之低飄移偏差之電流感測放大器可藉由數位信號LS1~LSN和RS1~RSN的電位變化來分別控制是否使用對應的第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN以及第四組電晶體組N個電晶體MR1~MRN。例如，若是數位信號LS1給0V，此時第一組電晶體組中的P型電晶體SL1就會打開，同時就會有電流經由SL1和第二組電晶體組中的電晶體ML1至第一耦接端InL；若是數位信號LS1給VDD，此時第一組電晶體組中的P型電晶體SL1就會關閉，如此，將沒有電流會經過第二組電晶體組中的電晶體ML1至第一耦接端InL。

承接上述，首先在第一耦接端InL給一個偏壓，若是不考慮第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN有製程飄移(Offset)的情況，則 由第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN各別流出的電流都應該為相等。然而，實際的情況是第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN通常會有製程飄移(Offset)的情形，如此，第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN各別流出的電流將會不盡相同。此時就可以透過一處理單元23對各別流出的電流進行記錄，並統計出單一電流的平均值。接著，即可以得知離單一電流的平均值較遠的為第二組電晶體組N個電晶體ML1~MLN當中的哪些電晶體。類似前述，在另一半部的第二耦接端InR以及第二電流供應單元22亦為相同之方式以得知哪些電晶體的製程飄移量較小。

如此一來，本發明之低飄移偏差之電流感測放大器可從第一電流供應單元21的ML1~MLN之N個電晶體中，挑選製程飄移量較小的n個電晶體；而同樣的方式可應用於第二電流供應單元22的MR1~MRN。在本實施例中，N可為4，而n可為2，來當作說明的舉例；也就是說，第一電流供應單元21的四個電晶體ML1~ML4可任取兩個電晶體來量測6個組別(從四個中任取兩個，所以為6個組別)各自流出的電流以及第二電流供應單元22的四個電晶體MR1~MR4可任取兩個電晶體來量測6個組別各自流出的電流。再透過處理單元23對各個組別流出的電流進行記錄，即可以得知哪些搭配方式的單一電流值相較於其他組別的電流值的差異性較大。請參閱第4圖，其係為本發明之低飄移偏差之電流感測放大器一實施例之電流分佈示意圖。如圖所示，處理單元23可依據上述之方式，來得知電流值差異性較大的搭配組合，進而不使用該些差異性較大的搭配組合。同樣地，處理單元23在另一半部的第二耦接端InR以及第二電流供應單元22亦以相同之方式，剔除該些差 異性較大的搭配組合。也就是說，處理單元可由上述之方式挑選出電流值較趨近於一平均值I_MEAN的搭配組別，即使用製程飄移量小的電晶體，來降低差動電流鏡的偏移。

值得注意的是，雖然本發明實施例所示之電路中的主動元件係為P型的電晶體，然而於所屬領域中具有通常知識者應當明瞭，在不脫離本發明之精神和範圍內，電路中的主動元件亦可以N型的電晶體、或是雙極電晶體(Bipolar Transistor)或是雙極電晶體與場效電晶體(Field-Effect Transistor)之組合來取代。並且，N、n之數值僅為實施態樣之舉例而非限制，在此先行敘明。

儘管前述在說明本發明之低飄移偏差之電流感測放大器的過程中，亦已同時說明本發明之放大器操作方法的概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第5圖，其係為本發明之放大器操作方法之流程圖。如圖所示，本發明之放大器操作方法，其適用於一低飄移偏差之電流感測放大器，該低飄移偏差之電流感測放大器具有一感測放大器、一第一電流供應單元、一第二電流供應單元以及一處理單元。放大器操作方法包含下列步驟：

在步驟S51中，根據該第一與第二電流供應單元之一第一與第二電流輸出端所輸出之複數個電流，比較出一電流平均值。

在步驟S52中，控制該第一電流供應單元之一電晶體開關組中部分電晶體的開與關。

在步驟S53中，控制該第二電流供應單元之一電晶體開關組中部 分電晶體的開與關。

本發明之低飄移偏差之電流感測放大器之操作方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之低飄移偏差之電流感測放大器時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本發明所提出之低飄移偏差之電流感測放大器及其操作方法，其可確切的選擇出電流偏移量較小之電晶體，即使用製程飄移量小的電晶體，來降低差動電流鏡的偏移值；並進一步提升記憶體的存取速度與精確度。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

2‧‧‧電流感測放大器

20‧‧‧感測放大器

201‧‧‧感測放大單元

MD‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

21‧‧‧第一電流供應單元

22‧‧‧第二電流供應單元

InL‧‧‧第一耦接端

InR‧‧‧第二耦接端

SED、LS1~LSN、RS1~RSN‧‧‧數位信號

SL1~SLN、ML1~MLN、SR1~SRN、MR1~MRN‧‧‧電晶體

Claims (11)

1. 一種低飄移偏差之電流感測放大器，其包含：一感測放大器，具有一第一耦接端以及一第二耦接端；一第一電流供應單元，係耦接該第一耦接端，該第一電流供應單元具有一第一電晶體組及一第一電流輸出端；一第二電流供應單元，係耦接該第二耦接端，該第二電流供應單元具有一第二電晶體組及一第二電流輸出端；以及一處理單元，係耦接該第一電流供應單元以及該第二電流供應單元，該處理單元根據該第一電流輸出端以及該第二電流輸出端各別輸出之複數個電流，以各別控制該第一電晶體組與該第二電晶體組中部分電晶體的開與關，其中該第一電晶體組與該第二電晶體組更分別包含一第一開關組與一第二開關組，該處理單元根據該第一電流輸出端與該第二電流輸出端所輸出之該複數個電流，比較出一電流平均值，以控制該第一開關組與該第二開關組中部分電晶體的開與關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低飄移偏差之電流感測放大器，其中該第一開關組之開關係由複數個數位訊號所控制。
3. 如申請專利範圍第1項所述之低飄移偏差之電流感測放大器，其中該第二開關組之開關係由複數個數位訊號所控制。
4. 如申請專利範圍第1項所述之低飄移偏差之電流感測放大器，其中該第一電晶體組更包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體的汲極係耦接該第二電晶體的源極，該第二電晶體的閘 極係耦接該第一耦接端及該第二電晶體的汲極。
5. 如申請專利範圍第1項所述之低飄移偏差之電流感測放大器，其中該第二電晶體組更包含一第三電晶體以及一第四電晶體，該第三電晶體的汲極係耦接該第四電晶體，該第四電晶體的閘極係耦接該第二耦接端及該第四電晶體的汲極。
6. 一種放大器操作方法，適用於一低飄移偏差之電流感測放大器，該低飄移偏差之電流感測放大器具有一感測放大器、一第一電流供應單元、一第二電流供應單元以及一處理單元，該放大器操作方法包含下列步驟：根據該第一電流供應單元之一第一電流輸出端與該第二電流供應單元之一第二電流輸出端所輸出之電流，控制該第一電流供應單元之一第一電晶體組與該第二電流供應單元之一第二電晶體組中部分電晶體的開與關，其中該放大器操作方法，更包含下列步驟：根據該第一電流輸出端與該第二電流輸出端所輸出之複數個電流，比較出一電流平均值；以及控制該第一電晶體組之一第一開關組中部分電晶體的開與關。
7. 如申請專利範圍第6項所述之放大器操作方法，其中該第一開關組之開關係由複數個數位訊號所控制。
8. 如申請專利範圍第6項所述之放大器操作方法，更包含下列步驟：在比較出該電流平均值之後控制該第二電晶體組之一第二開關組中部分電晶體的開與關。
9. 如申請專利範圍第8項所述之放大器操作方法，其中該第二開關組之開關係由複數個數位訊號所控制。
10. 如申請專利範圍第6項所述之放大器操作方法，其中該第一電晶體組更包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體的汲極係耦接該第二電晶體的源極，該第二電晶體的閘極係耦接該感測放大器之該第一耦接端及該第二電晶體的汲極。
11. 如申請專利範圍第6項所述之放大器操作方法，其中該第二電晶體組更包含一第三電晶體以及一第四電晶體，該第三電晶體的汲極係耦接該第四電晶體的源極，該第四電晶體的閘極係耦接該感測放大器之該第二耦接端及該第四電晶體的汲極。