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TWI744009B - 記憶體裝置 - Google Patents

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TWI744009B
TWI744009B TW109133283A TW109133283A TWI744009B TW I744009 B TWI744009 B TW I744009B TW 109133283 A TW109133283 A TW 109133283A TW 109133283 A TW109133283 A TW 109133283A TW I744009 B TWI744009 B TW I744009B
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Abstract

本發明提出一種記憶體裝置，包括記憶胞陣列以及電壓產生電路。電壓產生電路電性連接記憶胞陣列且包括主動電壓電路與感測電路。主動電壓電路用以當記憶體裝置在主動模式時輸出給記憶胞陣列的操作電壓。感測電路用以當記憶體裝置在待機模式時感測操作電壓並且在操作電壓下降至低於臨界值後短暫啟動主動電壓電路以拉升操作電壓。

Description

記憶體裝置
本發明是有關於一種電子電路，且特別是有關於一種記憶體裝置。
隨著電子科技的演進，能夠提供長效且大量的資料儲存的功能的非揮發性記憶體成為主要的資料儲存媒介，其中快閃記憶體更是其中一種主流的記憶體裝置。為了提升電子裝置的能源使用效率，快閃記憶體除了使電子裝置要存取資料時的主動模式(active mode)外，還具有低功耗的待機模式(standby mode)。
然而，為了讓快閃記憶體能快速地從待機模式切換回主動模式，在待機模式中，電壓產生器電路仍需要工作以提供高電壓給耦接記憶體陣列的字線。
為了省電，快閃記憶體的電路通常針對主動模式與待機模式而配置有兩個電壓產生電路，其中針對待機模式的電壓產生電路會具有較低的功耗。如此一來，雖然能夠降低快閃記憶體的功耗，但額外的電壓產生電路卻造成記憶體的電路面積增加以及需要使用的電子元件增加。
本發明提供一種記憶體裝置，具有電路面積縮小化、電路元件簡單化以及降低待機電流的優點。
本發明的一實施例提出一種記憶體裝置，包括記憶體陣列與電壓產生電路。電壓產生電路電性連接記憶胞陣列且包括主動電壓電路與感測電路。主動電壓電路用以當記憶體裝置在主動模式時輸出給記憶胞陣列的操作電壓。感測電路用以當記憶體裝置在待機模式時感測操作電壓並且在操作電壓下降至低於臨界值後短暫啟動主動電壓電路以拉升操作電壓。
基於上述，本發明的實施例所提出的記憶體裝置具有感測電路以在待機模式中偵測操作電壓的變化，每當操作電壓下降至低於臨界值時，感測電路短暫啟動主動電壓電路以拉升操作電壓。因此上述的記憶體裝置的電路可被簡化，還具有縮小電路面積的效果。
圖1繪示本發明一實施例的記憶體裝置的示意圖。請參照圖1，記憶體裝置100可以是NOR快閃記憶體，但本發明不限制於此。記憶體裝置100至少包括記憶胞陣列102、控制器104以及電壓產生電路106。控制器104電性連接記憶胞陣列102與電壓產生電路106。控制器104可以控制對記憶胞陣列102執行一主動模式或一待機模式。電壓產生電路106根據主動模式或待機模式而對應地提供一操作電壓至記憶胞陣列102的字元線。記憶體裝置100還可以包括未顯示在圖1中的字線解碼電路、位線解碼電路、驅動電路以及感測放大電路等，本領域中具有通常知識者應可理解上述元件之間的配置關係與實施方式。
圖2繪示本發明一實施例的電壓產生電路的電路示意圖。請參照圖2，圖2的電路結構可用來說明電壓產生電路106。電壓產生電路106包括主動電壓電路110與感測電路120。主動電壓電路110用以當記憶體裝置100在主動模式時輸出給記憶胞陣列102的操作電壓RV。操作電壓RV在此以讀取電壓為例。當記憶體裝置100在待機模式時，主動電壓電路110一樣會輸出操作電壓RV，但差別在於，主動電壓電路110在主動模式中持續處於使能（enable）狀態以穩定輸出操作電壓RV，但主動電壓電路110在待機模式中只會間歇性處於使能狀態，因此可以節省電力。在待機模式中，感測電路120會感測操作電壓RV並且在操作電壓RV下降至低於一臨界值後短暫啟動主動電壓電路110以拉升操作電壓RV。
主動電壓電路110包括電荷泵112 (charge pump)與電壓調節電路114（voltage regulator），電荷泵112 電性連接電壓調節電路114。電荷泵112 輸出操作電壓RV，而電壓調節電路114用以維持操作電壓RV的電壓值。
圖2的電壓調節電路114包括高壓開關HVSW、電晶體T、包括多個電阻與至少一電晶體的分壓電路116、能帶隙參考電路BGR以及電壓比較放大器118。高壓開關HVSW耦接於主動電壓電路110的輸出端與電晶體T的控制端之間。電晶體T與分壓電路116串連於主動電壓電路110的輸出端與地（ground）之間。電壓比較放大器118接收能帶隙參考電路BGR的輸出信號與分壓電路116的分壓電壓以輸出升壓使能信號EN_PUMP。電荷泵112根據升壓使能信號EN_PUMP升壓操作電壓RV。
在此說明的是，電壓調節電路114在圖2的電路架構僅作為示例，本發明不限制電壓調節電路114的實施方式。
感測電路120包括電容器C、感測電晶體DT、啟動電晶體AT與開關電晶體ST。電容器C的一端耦接於主動電壓電路110的輸出端以接收操作電壓RV，另一端耦接一感測節點D。感測電晶體DT的一端通過電晶體P1接收參考電壓VDD，另一端耦接反應節點A，控制端耦接感測節點D。換句話說，電容C的一端的電壓是操作電壓RV，另一端則耦接感測電晶體DT的控制端，因此在感測期間中，感測節點D上的電壓隨操作電壓RV變化，以及當操作電壓RV低於臨界值時，感測電晶體被導通且感測期間結束。
啟動電晶體AT的一端通過電晶體P2接收參考電壓VDD，另一端耦接反應節點A，其控制端耦接感測節點D。開關電晶體ST的一端耦接感測節點D，另一端耦接反應節點A，其控制端與電晶體P2的控制端一起接收控制信號PG0。在本實施例中，感測電晶體DT、啟動電晶體AT、開關電晶體ST、電晶體P1與電晶體P2都是PMOS電晶體，但不限制於此。
在感測期間結束後感測電路120進入啟動期間。在啟動期間中，開關電晶體ST被導通以對應地導通啟動電晶體AT且截止（cut off）感測電晶體DT，以及主動電壓電路110也會被啟動而將操作電壓RV拉回至目標電壓值。
感測電路120還包括放電開關122與下拉電路124。放電開關122的一端耦接反應節點A，另一端接地，其中放電開關122在啟動期間中被導通以輸出漏電流，並且在感測期間中被斷開。下拉電路124的一端耦接反應節點A，另一端接地，其中下拉電路124在啟動期間中被斷開且在感測期間中被導通以下拉反應節點A的電壓。
具體而言，在本實施例中，放電開關122包括電晶體NB與電晶體N0。電晶體NB與電晶體N0串連於反應節點A與地之間，其中電晶體NB與電晶體N0的控制端分別接收控制信號NBIAS與控制信號NG0。本領域具有通常知識通過選擇適當的電晶體NB以決定漏電流的電流大小。本實施例的下拉電路124以單一電晶體來實施。下拉電路124的控制端接收控制信號NG1。電晶體NB與電晶體N0與下拉電路124在此都是NMOS電晶體，但不限制。
圖3繪示本發明一實施例的電壓產生電路的信號波形示意圖。圖3的信號波形示意圖適用於圖1與2的實施例，以下搭配圖2參照圖3來說明實施方式。
在時間點t1到時間點t2之間為感測期間DECT。在時間點t1，操作電壓RV已被電荷泵112升壓到目標電壓值V0。在感測期間DECT中，主動電壓電路110不啟動，即處在失能（disable）狀態，因此操作電壓RV逐漸開始下降。感測電路120監控操作電壓RV的變化。
另外，在感測期間DECT中開關電晶體ST、啟動電晶體AT、電晶體P2、放電開關122與下拉電路124處於截止狀態。電容器C將操作電壓RV耦合至感測節點D，因此感測節點D的電壓隨著操作電壓RV而改變。在一開始（時間點t1）感測電晶體DT處於截止狀態。感測電晶體DT的閾值電壓（threshold voltage）的絕對值以Vth1表示。在時間點t2，感測節點D的電壓下降至低於VDD-Vth1，因此感測電晶體DT被導通，也表示此刻操作電壓RV低於一臨界值。
在時間點t2到時間點t3之間，通過感測電晶體DT與電晶體P1，反應節點A的電壓被參考電壓VDD上拉。開關電晶體ST、啟動電晶體AT、電晶體P2、放電開關122與下拉電路124在這個時間都還是維持截止狀態。
在時間點t3到時間點t4之間為啟動期間ACT。在啟動期間ACT中，對應反應節點A的電壓上升，控制信號PG0、控制信號NBIAS與控制信號NG0都切換至使能狀態，開關電晶體ST、電晶體P2與放電開關122被導通。下拉電路124仍舊維持截止狀態。由於開關電晶體ST被導通，反應節點A與感測節點D共電位，啟動電晶體AT與感測電晶體DT被接成二極體（diode connection）形式。啟動電晶體AT的閾值電壓的絕對值則以Vth2表示。特別說明的是，本實施例的感測電晶體DT的閾值電壓的絕對值Vth1大於啟動電晶體AT的閾值電壓的絕對值Vth2，因此啟動電晶體AT被導通，而感測電晶體DT不被導通。反應節點A與感測節點D的電壓被啟動電晶體AT維持在啟動電壓VDD-Vth2。同時，放電開關122允許反應節點A向地輸出漏電流。
在啟動期間ACT中，反應節點A通過反相器INV輸出使能信號EN。使能信號EN用以啟動主動電壓電路110，例如電荷泵112以及電壓調節電路114中的分壓電路116、電壓比較放大器118與能帶隙參考電路BGR。電壓調節電路114被啟動以發揮穩壓作用。電壓比較放大器118輸出升壓使能信號EN_PUMP以使電荷泵112將操作電壓RV拉回至目標電壓值V0。換句話說，通過啟動電晶體AT，反應節點A與感測節點D的電壓被改變至啟動電壓VDD-Vth2以啟動主動電壓電路110。
簡言之，操作電壓RV會從目標電壓值V0開始衰減，當操作電壓RV低於臨界值時，主動電壓電路110再將操作電壓RV回升至目標電壓值V0。操作電壓RV的波紋（ripple）大小決定於感測電晶體DT與啟動電晶體AT的閾值電壓的差值ΔVth，其中ΔVth=Vth1-Vth2。上述的臨界值是V0-ΔVth。
在時間點t4到時間點t5之間又回到感測期間DECT。在感測期間DECT的一開始（時間點t4），放電開關122被斷開且下拉電路124在初始期間In內被導通。圖3以初始期間In表示控制信號NG1的使能期間。初始期間In短於感測期間DECT。放電開關122在初始期間In內將反應節點A的電壓下拉至地，以初始化反應節點A的電壓。經過初始期間In後，放電開關122再度被斷開。
當操作電壓RV上升至實質上等於目標電壓值V0時（時間點t4），控制信號PG0、控制信號NBIAS與控制信號NG0被切換回失能狀態，因此放電開關122被斷開，開關電晶體ST、電晶體P2與放電開關122也被切換到截止狀態。接著重複上述在感測期間DECT與啟動期間ACT的實施方式。由感測電晶體DT的導通與否來決定是否重新進入啟動期間ACT以啟動主動電壓電路110。
特別說明的是，啟動期間ACT短於感測期間DECT。另外，感測電晶體DT的導通時間也十分短暫，一樣短於感測期間DECT。
在待機模式中，由於感測電路120只會短暫的啟動主動電壓電路110，大部分時間主動電壓電路110還是不啟動的，因此整體不需耗費太多電力，可以達到省電的要求。除此之外，感測電路120不需要具備電壓比較放大器或電荷泵等較高功耗的電路元件，也不需要具備多個電阻組成的分壓電路，因此具有降低待機電流與降低電路面積的優點。
綜上所述，本發明的實施例提出一種記憶體裝置。上述的記憶體裝置不需要針對待機模式而配置一個低功耗的電壓產生電路，而是可以通過感測電路間歇性啟動主動模式的電壓產生電路來達到低功耗輸出操作電壓的效果，讓原本的電壓產生電路也可應用至待機模式。本發明的實施例的記憶體裝置具有電路面積縮小化、電路元件簡單化以及降低待機電流的優點。
100:記憶體裝置
102:記憶胞陣列
104:控制器
106:電壓產生電路
110:主動電壓電路
112:電荷泵
114:電壓調節電路
116:分壓電路
118:電壓比較放大器
120:感測電路
122:放電開關
124:下拉電路
A:反應節點
AT:啟動電晶體
C:電容器
D:感測節點
EN:使能信號
EN_PUMP:升壓使能信號
DECT:感測期間
DT:感測電晶體
HVSW:高壓開關
In:初始期間
RV:操作電壓
P1、P2、T、NB、N0:電晶體
PG0、NBIAS、NG0、NG1:控制信號
ST:開關電晶體
t1～t5:間點
V0:目標電壓值
圖1繪示本發明一實施例的記憶體裝置的示意圖。 圖2繪示本發明一實施例的電壓產生電路的電路示意圖。 圖3繪示本發明一實施例的電壓產生電路的信號波形示意圖。
106:電壓產生電路
110:主動電壓電路
112:電荷泵
114:電壓調節電路
116:分壓電路
118:電壓比較放大器
120:感測電路
122:放電開關
124:下拉電路
A:反應節點
AT:啟動電晶體
BGR:能帶隙參考電路
C:電容器
D:感測節點
EN:使能信號
EN_PUMP:升壓使能信號
DT:感測電晶體
HVSW:高壓開關
RV:操作電壓
P1、P2、T、NB、N0:電晶體
PG0、NBIAS、NG0、NG1:控制信號
ST:開關電晶體

Claims (9)

  1. 一種記憶體裝置，包括：一記憶胞陣列；以及一電壓產生電路，電性連接該記憶胞陣列且包括：一主動電壓電路，用以當該記憶體裝置在一主動模式時輸出給該記憶胞陣列的一操作電壓；以及一感測電路，用以當該記憶體裝置在一待機模式時感測該操作電壓並且在該操作電壓下降至低於一臨界值後短暫啟動該主動電壓電路以拉升該操作電壓，其中，該感測電路包括：一電容器，一端耦接於該主動電壓電路的輸出端且另一端耦接一感測節點；以及一感測電晶體，一端用以接收一參考電壓，另一端耦接一反應節點，其控制端耦接該感測節點，其中，在一感測期間中，該感測節點上的電壓隨該操作電壓變化，以及當該操作電壓低於該臨界值時，該感測電晶體被導通。
  2. 如請求項1所述的記憶體裝置，該感測電路包括：一啟動電晶體，一端用以接收該參考電壓，另一端耦接該反應節點，其控制端耦接該感測節點；一開關電晶體，一端耦接該感測節點，另一端耦接該反應節點， 其中，在一啟動期間中，該開關電晶體被導通以對應地導通該啟動電晶體且截止該感測電晶體，以及該主動電壓電路被啟動以將該操作電壓拉回至一目標電壓值。
  3. 如請求項2所述的記憶體裝置，其中該感測電晶體的閾值電壓的絕對值大於該啟動電晶體的閾值電壓的絕對值。
  4. 如請求項2所述的記憶體裝置，其中，在該啟動期間中，通過該啟動電晶體，該反應節點與該感測節點的電壓被改變至一啟動電壓以啟動該主動電壓電路，並且在該感測期間中，該主動電壓電路不啟動。
  5. 如請求項2所述的記憶體裝置，其中該感測電路還包括：一放電開關，一端耦接該反應節點，另一端接地，其中該放電開關在該啟動期間中被導通以輸出一漏電流，並且在該感測期間中被斷開；以及一下拉電路，一端耦接該反應節點，另一端接地，其中該下拉電路在該啟動期間中被斷開且在該感測期間中被導通以下拉該反應節點的電壓。
  6. 如請求項5所述的記憶體裝置，其中在該感測期間的一開始，該放電開關被斷開且該下拉電路在一初始期間內被導通，其中該初始期間短於該感測期間。
  7. 如請求項2所述的記憶體裝置，其中該啟動期間短於該感測期間。
  8. 如請求項2所述的記憶體裝置，其中，當該記憶體裝置在該待機模式中，該操作電壓的波紋大小決定於該感測電晶體與該啟動電晶體的閾值電壓的一差值。
  9. 如請求項8所述的記憶體裝置，其中，該臨界值為該目標電壓值減去該差值。
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