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相变存储器的驱动电路设计

导读: 相变存储器(PC2RAM)是一种新型半导体存储器,在研发下一代高性能不挥发存储技术的激烈竞争中,PC2RAM在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、功耗等方面的诸多优势显示了极大的竞争力,得到了较快的发展。

  引言

 

  相变存储器(PC2RAM)是一种新型半导体存储器,在研发下一代高性能不挥发存储技术的激烈竞争中,PC2RAM在读写速度、读写次数、数据保持时间、单元面积、功耗等方面的诸多优势显示了极大的竞争力,得到了较快的发展。相变存储器是利用加工到纳米尺寸的相变材料在晶态与非晶态时不同的电阻状态来实现数据存储。读、写操作是通过施加电压或电流脉冲信号在相变存储单元上进行的。相变存储单元对驱动电路产生的驱动电压或电流十分敏感,因此,设计一个性能优良的驱动电路成为实现芯片功能的关键。本文介绍了一种新型的、结构简单的相变存储器驱动电路设计,该电路采用电流驱动方式,主要包括基准电压电路、偏置电流电路、电流镜电路及控制电路。

 

  1 电路设计与分析

 

  1.1 相变存储器芯片

  图1为相变存储器内部结构框图,主要包括相变存储单元阵列(1r1tarray)、地址解码器(rowdec和columndec)、读写驱动电路(drv8)、驱动控制电路(drvcon)和读出放大电路(sa8)。

 

  

 

  相变存储单元阵列包括字线、位线和处在字线与位线的交叉区的相变存储单元,每一个存储单元包括一条字线、一个选通管及一个相变电阻,并且每一个相变电阻均可在非晶态与晶态之间进行编程;地址解码器解码输入行地址,以选择每个存储单元的字线,位选择电路根据输入的列地址,选择一条位线;驱动电路生成将所选存储单元编程为非晶态或晶态的写电流,以及读出被编程后的存储单元状态的读电流;驱动控制电路由控制逻辑与脉冲信号发生器组成,用于产生一定脉冲宽度的读/写脉冲,其中,写过程包括写“0”、写“1”两种情况(Set和Reset),对应相变单元在晶态(低阻)及非晶态(高阻)之间的转换。

  1.2 驱动电路

  本文所设计的相变存储器驱动电路主要结构如图2所示。首先,由带隙基准电压电路bgn生成高精度的基准电压Vref,接着,该基准电压通过一级偏置电流产生电路偏置产生高精度的偏置电流Ibias,偏置电流输出给后级用于最终驱动的电路drv。drv由两级电流镜电路组成,每一级有三个电流镜结构,可分别用于产生大小不同的Read、Set、Reset电流,drvcon用于控制产生所需的电流脉冲。

 

  

 

  1.2.1 基准电压

  基准电压电路如图3所示,主要由控制电路、核心电路、提高电源抑制比(PSRR)电路及启动电路组成。该电路最终可产生高精度的基准电压输出,在温度为-10~120℃时,具有613×10-6/℃的温度系数,在电源电压为310~316V变化时基准输出随电源电压变化仅为010101%/V,PSRR为69dB。

 

  

 

  各种工艺偏差均较小,相对TT模型的最大偏差为01002311,是一种低温度系数,高电源抑制比的带隙基准电压源。图4和图5分别给出该带隙基准电压的温度特性曲线及电源抑制特性曲线。

 

  

  

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