可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路和方法与流程

1.本发明涉及集成电路设计制造技术领域，具体涉及可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路和方法。


背景技术：

2.铁电材料作为新型非易失性存储材料之一，利用其在外加电场作用下具有极化的特性进行数据存储。用铁电材料制成的铁电电容存储单元在被长期使用的过程中，将出现极化疲劳，铁电特性逐渐减弱，正负剩余极化强度减小，导致数据难以读出。铁电材料的极化疲劳特性不仅仅受铁电材料被极化翻转的次数决定，还受制于外加的极化操作电压。同时由于制造工艺的偏差，在大规模阵列制造中，必然导致铁电存储器芯片之间存在一定差异，部分芯片铁电电容会在偏低的电压翻转，部分会在偏高的电压翻转。对于小电压就可以翻转的铁电电容，施加标准操作的电压，将加剧极化疲劳，缩短铁电存储器的使用寿命。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路和方法，其具体技术方案如下：可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路，基于单管单电容（1t1c型）铁电存储单元，所述单管单电容（1t1c型）铁电存储单元通过一个采样电阻连接有跟踪电路，所述跟踪电路由依次连接的电流采样电路、误差放大器、电压调整器组成，单管单电容（1t1c型）铁电存储单元产生翻转电流流经采样电阻，采样电阻产生的两端电位差被电流采样电路采集，再经过误差放大器与输入误差放大器的参考电压进行比较，将比较结果反馈给电压调整器，输出操作电压。
4.进一步的，所述电流采样电路，包括第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第三运算放大器a3、电阻r1-r7，其中电阻r2和电阻r5相同，电阻r3和电阻r6相同，电阻r4和电阻r7相同，电阻r1的一端与电阻r2的一端相连接后接入第一运算放大器a1的反相输入端，电阻r1的另一端与电阻r5的一端相连接后接入第二运算放大器a2的反相输入端，电阻r3的一端与电阻r2的另一端相连接后接第一运算放大器a1的输出端，电阻r6的一端与电阻r5的另一端相连接后接第二运算放大器a2的输出端，电阻r3的另一端与电阻r4的一端相连接后接入第三运算放大器a3的同相输入端，电阻r4的另一端接地，电阻r6的另一端与电阻r7的一端相连接后接入第三运算放大器a3的反相输入端，电阻r7的另一端接至第三运算放大器a3的输出端。
5.进一步的，所述采样电阻两端分别接入第一运算放大器a1的同相输入端和第二运算放大器a2的同相输入端，即在仪表放大器两输入端vi1、vi2分别接入采样电阻两端，电流采样电路的输出端表达式为：。
6.进一步的，在所述电流采样电路与误差放大器之间可插入多级放大器。
7.进一步的，所述再经过误差放大器与输入误差放大器的参考电压进行比较，将比较结果反馈给电压调整器，输出操作电压，具体为：所述误差放大器将采样电阻的电压降与参考电压进行比较，将两者的差值信号放大后，反馈给电压调整器的控制端，电压调整器自我调节输出电压的大小，所述输出电压，即极化操作电压，直接驱动位线bl/板线pl读写工作。
8.进一步的，所述单管单电容（1t1c型）铁电存储单元由一个晶体管和一个铁电电容组成，具体的，铁电电容的一端连接晶体管的第一端，铁电电容的另一端接有板线pl，晶体管的第二端接有位线bl，晶体管的第三端接有字线wl。
9.进一步的，该电路的操作时序，分为t0、t1、t2、t3、t4五个阶段，具体的：t0阶段中，铁电电容处于未被极化的状态，即极化强度为0；t1阶段中，字线wl置高，同时用初始操作电压将板线pl拉高，位线bl保持零电位，数据“0”被写入铁电存储单元；t2阶段中，字线wl保持高电平，撤除板线pl、位线bl电压作用，对铁电电容c
fe
不进行操作；t3阶段中，字线wl保持高电平，同时用该操作电压将位线bl拉高，板线pl拉低，数据“1”被写入铁电存储单元；t4阶段中，撤去外部电压，操作结束。
10.可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的方法，包括以下步骤：步骤1：对铁电存储单元进行写“0”操作，具体的：将字线wl电压拉高，使得晶体管导通，将板线pl设置成初始操作电压值，位线bl拉低，这时铁电电容两端电压差为“+操作电压”，铁电电容被极化到正饱和极化强度“+ps”；步骤2：字线wl电压仍然保持高，撤去板线pl、位线bl电压信号，这时，铁电电容两端电位差变为0，其极化强度变为剩余极化强度“+pr”；步骤3：对铁电存储单元进行写“1”操作，具体的：字线wl电压仍然保持高，将位线bl设置成初始操作电压值，板线pl拉低，这时铁电电容两端电压差为
“‑ꢀ
操作电压”，铁电电容被极化到负饱和极化强度
“‑
ps”；其中，在对铁电电容进行写“0”到写“1”操作的过程中，若操作电压有效，铁电电容将经历极化强度为“+ps
”‑
》“+pr
”‑
》
“‑
ps”的变化过程，极化翻转电流将流经采样电阻，电流采样电路采集到的电阻两端电压降与参考电压经误差放大器进行比较和差值放大，差值信号反馈给电压调整器，电压调整器输出操作电压，作为铁电存储单元的读写操作电压；若操作电压无效，铁电电容无翻转或者小部分翻转，采样电阻将采集不到极化翻转电流或采集到的电流几乎为零，再将误差放大器的差值信号反馈给电压调整器，电压调整器提高输出电压，将更高的输出电压作为板线pl、位线bl的操作电压，此时，重新进行步骤1至步骤3，直至操作电压有效；步骤4：撤去所有电压信号，结束操作。
11.进一步的，在进行调节电压操作之前，铁电电容处于未被极化的状态，即极化强度为0；所述初始操作电压值为小于标准编程电压的电压值。
12.本发明具有的有益效果：本发明能检测铁电电容的极化操作电压阈值，从而合理运用操作电压，延长铁电
存储器的使用寿命，同时降低系统功耗。
附图说明
13.图1为传统单管单电容（1t1c型）铁电存储单元结构图；图2为本发明的可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路架构图；图3为作为电流采样电路的仪表放大器结构图；图4为本发明电路的操作时序图；图5为本发明的调节操作电压的方法流程示意图。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
15.为了检测铁电电容的极化操作电压阈值，从而合理运用操作电压，延长铁电存储器的使用寿命，同时降低系统功耗，本发明设计一种可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路，如图2所示，基于单管单电容（1t1c型）铁电存储单元，设计连接有跟踪电路，所述跟踪电路由依次连接的电流采样电路、误差放大器、电压调整器组成。
16.其中，如图1所示，所述单管单电容（1t1c型）铁电存储单元是由一个晶体管m1和一个铁电电容c
fe
组成，具体的，铁电电容c
fe
的一端连接晶体管m1的第一端，铁电电容c
fe
的另一端接有板线pl，晶体管m1的第二端接有位线bl，晶体管m1的第三端接有字线wl，以铁电最小的存储单元作为检测单元，在位线bl接入一个采样电阻rsense，当铁电电容c
fe
被极化翻转时，其翻转电流流经采样电阻rsense，采样电阻rsense产生的两端电位差被电流采样电路采集，再经过误差放大器与输入误差放大器的参考电压vref进行比较，将结果反馈给电压调整器，输出操作电压，实现对位线bl/板线pl驱动电压的自适应调节。
17.本发明的自适应调节操作电压电路，无需附加在存储阵列中的每一单元上，由于同一芯片的存储阵列工艺偏差不大，可以在单chip或单bank只设置一个检测单元即可，自适应调节操作电压电路输出的操作电压成为所述单chip或单bank铁电电容的读写操作电压。
18.所述采样电阻rsense的阻值不宜太大，否则会损耗流经位线bl的极化翻转电流，将降低位线寄生电容的充电电压，导致灵敏放大器的读出难度增加，影响存储器正常工作；所述采样电阻rsense的阻值也不宜太小，以便获得位线上的电流变化信息的灵敏度更高。
19.所述电流采样电路的输入阻抗很大，并且能够快速响应，有能力捕获极化翻转的瞬态电流。
20.所述电流采样电路为仪表放大器结构，具体的，如图3所示，包括第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第三运算放大器a3、电阻r1-r7，其中电阻r2和电阻r5相同，电阻r3和电阻r6相同，电阻r4和电阻r7相同，电阻r1的一端与电阻r2的一端相连接后接入第一运算放大器a1的反相输入端，电阻r1的另一端与电阻r5的一端相连接后接入第二运算放大器a2的反相输入端，电阻r3的一端与电阻r2的另一端相连接后接第一运算放大器a1的输出端，电阻r6的一端与电阻r5的另一端相连接后接第二运算放大器a2的输出端，电阻r3的另一端与电阻r4的一端相连接后接入第三运算放大器a3的同相输入端，电阻r4的另一端接
地，电阻r6的另一端与电阻r7的一端相连接后接入第三运算放大器a3的反相输入端，电阻r7的另一端接至第三运算放大器a3的输出端；将采样电阻rsense两端分别接入第一运算放大器a1的同相输入端和第二运算放大器a2的同相输入端，即在仪表放大器两输入端vi1、vi2分别接入采样电阻rsense两端，电流采样电路的输出端，可见，电流采样电路输出电压和输入电压降成比例，可通过调整仪表放大器中的电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7调节该电流采样电路的差模增益，采用的仪表放大器结构具有能有效抑制共模信号、高性能快速响应等优点。
21.在电流采样电路与误差放大器之间可插入多级放大器，用来放大电流采样电路采集到的rsense端的电位差，使其满足误差放大器输入信号的分辨范围。
22.所述误差放大器将采样电阻rsense的电压降与参考电压vref进行比较，将两者的差值信号放大后，反馈给电压调整器的控制端，电压调整器自我调节输出电压的大小，所述输出电压，即极化操作电压，直接驱动位线bl/板线pl读写工作。
23.本发明的一种可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的电路的操作时序，整个操作过程分为五个阶段t0、t1、t2、t3、t4，如图4所示，具体的：t0阶段中，铁电电容c
fe
处于未被极化的状态，即极化强度为0。
24.t1阶段中，字线wl置高，同时用初始操作电压将板线pl拉高，位线bl保持零电位，数据“0”被写入铁电存储单元。
25.t2阶段中，字线wl保持高电平，撤除板线pl、位线bl电压作用，对铁电电容c
fe
不进行操作。
26.t3阶段中，字线wl保持高电平，同时用该操作电压将位线bl拉高，板线pl拉低，数据“1”被写入铁电存储单元。
27.t4阶段中，撤去外部电压，操作结束。
28.如图5所示，本发明一种可跟踪铁电电容工艺的自适应调节操作电压的方法，在进行调节电压操作之前，铁电电容c
fe
处于未被极化的状态，即极化强度为0，假定一小于标准编程电压的电压值为初始操作电压值，该方法具体包括以下步骤：步骤1：对铁电存储单元进行写“0”操作：将字线wl电压拉高，使得晶体管m1导通，将板线pl设置成初始操作电压值，位线bl拉低，这时铁电电容c
fe
两端电压差为“+操作电压”，铁电电容被极化到正饱和极化强度“+ps”；步骤2：字线wl电压仍然保持高，撤去板线pl、位线bl电压信号，这时，铁电电容两端电位差变为0，其极化强度变为剩余极化强度“+pr”；步骤3：对该铁电存储单元进行写“1”操作：字线wl电压仍然保持高，将位线bl设置成初始操作电压值，板线pl拉低，这时铁电电容c
fe
两端电压差为
“‑ꢀ
操作电压”，铁电电容被极化到负饱和极化强度
“‑
ps”；其中，在对铁电电容c
fe
进行写“0”到写“1”操作的过程中，若操作电压有效，铁电电容c
fe
将经历极化强度为“+ps
”‑
》“+pr
”‑
》
“‑
ps”的变化过程，极化翻转电流将流经采样电阻rsense，电流采样电路采集到的电阻两端压降与参考电压vref经误差放大器进行比较和差值放大，差值信号反馈给电压调整器，电压调整器输出操作电压，即输出的操作电压有效，作为铁电存储单元的读写操作电压；
若操作电压无效，铁电电容c
fe
无翻转或者小部分翻转，采样电阻rsense将采集不到极化翻转电流或采集到的电流几乎为零，再将误差放大器的差值信号反馈给电压调整器，电压调整器提高输出电压，将更高的输出电压作为板线pl、位线bl的操作电压，此时，重新进行步骤1至步骤3，直至操作电压有效；步骤4：撤去所有电压信号，结束操作。
29.以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。