聊聊芯片中的負(fù)壓產(chǎn)生機(jī)理及其應(yīng)用

**1 **技術(shù)背景

講負(fù)壓之前先介紹兩個(gè)技術(shù)背景，以便更好地理解芯片中為什么需要負(fù)壓。

**1.1 **高速緩存

SRAM是目前最成熟的易失性高速存儲(chǔ)器，通常由6管（6T）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，可以用做CPU和內(nèi)存（DRAM）之間的高速緩存。NAND Flash是一種非易失性存儲(chǔ)，你電腦、手機(jī)中的照片或文件就存儲(chǔ)在Flash中。

DRAM速度介于SRAM和Flash之間，也是一種易失性存儲(chǔ)器。常見存儲(chǔ)架構(gòu)呈金字塔型，如圖1所示。近年以美國(guó)公司Everspin和Crossbar為代表的MRAM和RRAM逐漸走向產(chǎn)品化。

MRAM和RRAM特點(diǎn)是速度快、非易失、與CMOS工藝兼容?，F(xiàn)代存儲(chǔ)架構(gòu)之所以采用圖1所示，是因?yàn)樵O(shè)備中有的地方要高速，有的地方要大容量、非易失，說白了就是需求不同。MRAM和RRAM具有SRAM的高速和Flash的非易失，但Everspin和Crossbar產(chǎn)品目錄中最大容量只有1GB，未來如果能把容量做大、成本做低，大有改變現(xiàn)代存儲(chǔ)架構(gòu)之勢(shì)。

為了進(jìn)一步提高6T SRAM的寫入速度，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)在bit line引入負(fù)壓，以加快1到0的放電速度。

Fig1. 常見存儲(chǔ)架構(gòu)

1.2****閾值電壓調(diào)整

調(diào)整FDSOI工藝中RBB器件背柵電位可實(shí)現(xiàn)閾值電壓可調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗。其中PMOS和NMOS背柵電位從0→+2V和0→-2V變化時(shí)閾值電壓逐漸增大，這就是負(fù)壓在IC中的另一個(gè)應(yīng)用。

2 高速SRAM****讀寫電路

圖2給出了1 bit高速SRAM的讀寫電路 ，其中最上面的6個(gè)管子為前邊提到的6T存儲(chǔ)單元，最下邊的靈敏放大器（Sense Amplifier）用于數(shù)據(jù)的讀取，中間包含寫驅(qū)動(dòng)（Write Driver）電路、預(yù)充電路以及WPASS和RPASS通路。為提高速度，數(shù)據(jù)寫入和讀出6T memory cell之前都要進(jìn)行預(yù)充，即把BT、BB、XT和XB預(yù)充到高電平。

數(shù)據(jù)寫入時(shí)WPASS和RPASS都置高，通過WT_IN和WB_IN對(duì)6T memory cell寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀出時(shí)WPASS和RPASS都置低，通過靈敏放大器讀出6T memory cell中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。寫入和讀出時(shí)WL都要打開，預(yù)充時(shí)WL都要關(guān)閉。

圖2左側(cè)紅色部分為負(fù)脈沖產(chǎn)生電路，利用電容兩端電壓不能突變這一特性產(chǎn)生的負(fù)脈沖VSS_WA作為Write Driver的GND，在WL開啟瞬間給6T memory cell提供一條快速放電通路，以提高寫入速度，時(shí)序圖如圖3所示。

Fig2. 高速SRAM讀寫電路

Fig3. 負(fù)脈沖產(chǎn)生時(shí)序圖

**3 **背柵電位調(diào)整電路

圖4給出了帶負(fù)反饋的電荷泵電路，用于產(chǎn)生精確的負(fù)電壓。調(diào)整vref大小即可改變Vout值。

Fig4. 背柵電位調(diào)整電路

根據(jù)負(fù)反饋原理，運(yùn)放負(fù)端為虛地點(diǎn)，有如下表達(dá)式成立：

(vref-0)/R1=(0-Vout)/R2

Vout=-(R2/R1)*vref

假設(shè)vref為0.8V，R2/R1為2.5，Vout為-2V。Vout可用于調(diào)整FDSOI工藝RBB器件N管的背柵電位。圖4中的電荷泵需要多級(jí)級(jí)聯(lián)，以解決器件耐壓?jiǎn)栴}。

**4 **思考與討論

① 圖2 SRAM讀寫操作之前把BT、BB、XT、XB預(yù)充到VDD為什么可以提高讀寫速度？

② 圖2 靈敏放大器中的SAE與WL同時(shí)開啟可以嗎？

③ 如何提高讀取速度？

④ WPASS通路為什么用N管？RPASS通路為什么用P管？

⑤ 讀的時(shí)候?yàn)槭裁葱枰渺`敏放大器？

⑥ 圖4電荷泵如何實(shí)現(xiàn)？

⑦ 參考圖4你能否設(shè)計(jì)一個(gè)電路得到+2V電壓？

⑧ 圖4能否改成自適應(yīng)結(jié)構(gòu)？自適應(yīng)調(diào)整器件背柵電位，以監(jiān)測(cè)PVT變化，進(jìn)而平衡速度和功耗。