一种具有良好传感裕度的STT-MRAM传感电路制造技术

本发明专利技术公开了一种具有良好传感裕度的STT‑MRAM传感电路，属于计算机存储技术领域。所述STT‑MRAM传感电路通过采用动态参考电压发生器产生动态参考电压VREF，使得当STT‑MRAM处于高阻RAP、位线电压VBL_AP较大时，动态参考电压发生器将参考电压降低，而当STT‑MRAM处于低阻RP、位线电压VBL_P较小时，通过动态参考电压发生器将参考电压升高，从而大幅度增大了|VREF‑VDATA|的值，进而增大了传感裕度SM；同时采用恒流源将读取电路Iread钳位在10‑100μA范围内，避免传感操作期间的读取干扰(RD)。

A STT-MRAM Sensing Circuit with Good Sensing Margin

【技术实现步骤摘要】
一种具有良好传感裕度的STT-MRAM传感电路
本专利技术涉及一种具有良好传感裕度的STT-MRAM传感电路，属于计算机存储

技术介绍
自旋转矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)由于其零待机功率，高密度，辐射硬度和出色的可扩展性等，作为下一代非易失性存储器技术展示了巨大的潜力。它已经引起了广泛关注和研究开发。一个普通的STT-MRAM由一个磁隧道结(MTJ)和一个NMOS管组成。其中MTJ作为存储元件，并通过NMOS管对其进行访问。MTJ自上而下隔离层可分为三层：自由层，隔离层和固定层。其中自由层和固定层一般都是铁磁材料构成的，而中间的隔离层是由很薄的氧化物组成，如图1所示。两个铁磁层中自由层的磁化方向可以自由改变，而固定层的磁化方向是固定的。STT-MRAM根据电流方向的不同，呈现出相反的两种阻值状态，即低阻和高阻(RP和RAP)。STT-MRAM主要的传感方式可分为：电压传感和电流传感；通过采用一个固定的读取电流Iread来测量位线电压VBL(或采用一个固定的读取电压Vread来测量位线电流IBL)的方法来传感储存在位单元中的数据。其中，电压传感方式中，给定一个固定的读取电流(Iread)，在MTJ不同的阻值状态下STT-MRAM会呈现不同的位线电压(VBL)继而通过一个简单的升压产生所需要传感数据电压(VDATA)，然后位电压通过动态参考单元产生一个参考电压(VREF)，将VDATA和VREF进行比较然后输出结果。在此过程中，为例避免传感操作期间的读取干扰(RD)，读取电流(Iread)应该比临界状态电流(ICO)小得多(通常为几十μA)，然而较低的读取电流(Iread)会导致较低的传感裕度(SM)，传感裕度表示为：SM＝|VREF-VDATA-VOS|(1)其中VOS是指输入传感放大器的偏移量，而为了提高STT-MRAM的SM值，目前存在下述两种方式：方式一：通过图2所示的体电压传感电路，其通过两个分支分别产生传感数据电压(VDATA)和固定的参考电压(VREF)，然后运用差分放大器进行比较输出，但由于其差分放大器多用二阶交叉耦合差分放大器，所以存在明显的VOS，由上述公式(1)可知，此会导致传感裕度(SM)变小。方式二：通过图3所示的变容无干扰的传感电路，其通过单个分支，相继产生传感数据电压(VDATA)和固定的参考电压(VREF)，然后利用单端电容耦合CMOS电荷转移放大器(其本身具有很强的抗干扰能力以及可减小输入偏移量VOS)进行比较输出结果。上述方式一存在的缺点有：(1)当STT-MRAM扩展至深纳米节点，两个传感分支之间的VDD降低和器件不匹配的问题(该问题由PVT变化引起)增加，这些电路无法再提供所需的传感可靠性；(2)固定的参考电压(VREF)限制了进一步达到更大的传感裕度；(3)其运用传统的交叉耦合差分放大器会引进较大偏移量VOS，进一步减小了SM的值。而上述方式二存在的缺点有：(1)固定的参考电压(VREF)限制了进一步达到更大的传感裕度；(2)单端CMOS电荷转移放大器的共模输入范围小，故限制了传感数据电压(VDATA)和参考电压(VREF)的摆幅，并且采用的输入电容耦合方式对电容的匹配要求高还会占据很大面积。所以上述两种方式并未能解决STT-MRAM中的RD和SM问题，为了解决STT-MRAM扩展到深纳米节点(例如，40nm)时存在的RD和SM问题，需要一种具有大的SM和较小的RD的良好传感电路。
技术实现思路
为了解决目前存在的RD和SM问题，本专利技术提供了一种具有良好传感裕度的STT-MRAM传感电路。本专利技术的第一个目的在于提供一种具有良好传感裕度的STT-MRAM传感电路，所述STT-MRAM传感电路包括：电压传感器，放大器和动态锁存电压比较器；其中，电压传感器包括恒流源、动态参考电压发生器、升压器；恒流源固定读取电流Iread产生位线电压VBL，位线电压VBL经过升压器得到传感数据电压VDATA，同时位线电压VBL经过动态参考电压发生器产生动态参考电压VREF。可选的，VREF＝Vb-AVVBL，AV是动态参考电压发生器的小信号增益，AV＜1；当STT-MRAM处于高阻RAP时，位线电压VBL表示为VBL_AP：VBL_AP＝Iread×RAP动态参考电压VREF表示为VREF_AP：VREF_AP＝Vb-AVVBL_AP对应的，当STT-MRAM处于低阻RP时，位线电压VBL表示为VBL_P：VBL_P＝Iread×RP动态参考电压VREF表示为VREF_P：VREF_P＝Vb-AVVBL_P其中Vb是是VREF在位线电压VBL为零时的直流电压值。可选的，VDATA＝AVBL，A为升压器的升压倍数，当STT-MRAM分别处于高阻RAP和低阻RP时，VDATA分别表示为VDATA_AP和VDATA_P；根据STT-MRAM传感电路传感裕度计算公式：SM＝|VREF-VDATA-VOS|可知当STT-MRAM分别处于高阻RAP和低阻RP时，其传感裕度SM分别表示为SMAP和SMP：SMAP＝|VREF_AP-A(Iread×RAP)-VOS|＝|VREF_AP-AVBL_AP-VOS|SMP＝|VREF_P-A(Iread×RP)-VOS|＝|VREF_P-AVBL_P-VOS|所以，当STT-MRAM处于高阻RAP时，位线电压VBL_AP较大，此时通过动态参考电压发生器将参考电压VREF_AP降低，当STT-MRAM处于低阻RP时，位线电压VBL_P较小，此时通过动态参考电压发生器将参考电压VREF_P升高。可选的，所述放大器采用全差分直接耦合电荷转移放大器。可选的，恒流源将读取电路Iread钳位在10-100μA范围内。可选的，动态参考电压发生器由伪PMOS反相器电路实现。可选的，所述伪PMOS反相器电路包括PMOS晶体管M1、M3和NMOS晶体管M2、M4；其中，PMOS晶体管M1的漏极输出动态参考电压VREF，M2是M1的有源负载，M3是控制M1关断的开关，当动态参考电压发生器的使能信号ONG有效时，通过M4将位线电压VBL与M1连接在一起。可选的，所述动态锁存电压比较器采用普通双端输入锁存器。本专利技术的第二个目的在于提供一种采用上述STT-MRAM传感电路的磁随机存取存储器。本专利技术的第三个目的在于提供上述磁随机存取存储器在计算机存储
内的应用。本专利技术有益效果是：通过运用动态参考电压模块产生一个自适应的参考电压，该自适应的参考电压与位线电压成反比，使得STT-MRAM处于高阻RAP、位线电压VBLAP较大时，通过动态参考电压发生器将参考电压VREF_AP降低，而当STT-MRAM处于低阻RP、位线电压VBL_P较小时，通过动态参考电压发生器将参考电压VREF_P升高，从而大幅度增大了|VREF-VDATA|的值，进而增大了传感裕度SM，同时采用恒流源将读取电路Iread钳位在10-100μA范围内，避免传感操作期间的读取干扰(RD)；还通过采用直接耦合的全差分电荷转移放大器，克服了传统传感放大器输入偏移量VOS从而增大SM的问题，也不存在采用单端CMOS电荷转移放大器所带来的电容匹配问题，并增大了共模输入范围，即增大了传感数据电压(VDA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种STT‑MRAM传感电路，其特征在于，所述STT‑MRAM传感电路包括：电压传感器，放大器和动态锁存电压比较器；其中，电压传感器包括恒流源、动态参考电压发生器、升压器；恒流源固定读取电流Iread产生位线电压VBL，位线电压VBL经过升压器得到传感数据电压VDATA，同时位线电压VBL经过动态参考电压发生器产生动态参考电压VREF。

【技术特征摘要】
1.一种STT-MRAM传感电路，其特征在于，所述STT-MRAM传感电路包括：电压传感器，放大器和动态锁存电压比较器；其中，电压传感器包括恒流源、动态参考电压发生器、升压器；恒流源固定读取电流Iread产生位线电压VBL，位线电压VBL经过升压器得到传感数据电压VDATA，同时位线电压VBL经过动态参考电压发生器产生动态参考电压VREF。2.根据权利要求1所述的STT-MRAM传感电路，其特征在于，VREF＝Vb-AVVBL，AV是动态参考电压发生器的小信号增益，AV＜1；当STT-MRAM处于高阻RAP时，位线电压VBL表示为VBL_AP：VBL_AP＝Iread×RAP动态参考电压VREF表示为VREF_AP：VREF_AP＝Vb-AVVBL_AP对应的，当STT-MRAM处于低阻RP时，位线电压VBL表示为VBL_P：VBL_P＝Iread×RP动态参考电压VREF表示为VREF_P：VREF_P＝Vb-AVVBL_P其中Vb是是VREF在位线电压VBL为零时的直流电压值。3.根据权利要求2所述的STT-MRAM传感电路，其特征在于，VDATA＝AVBL，A为升压器的升压倍数，当STT-MRAM分别处于高阻RAP和低阻RP时，VDATA分别表示为VDATA_AP和VDATA_P；根据STT-MRAM传感电路传感裕度计算公式：SM＝|VREF-VDATA-VOS|可知当STT-MRAM分别处于高阻RAP和低阻RP时，其传感裕度SM分别表示为SMAP和SMP：SMAP＝|VREF_AP-A(Ir...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜岩峰，成关壹，于平平，梁海莲，张曙斌，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32