紧凑式电荷转移刷新电路及其刷新方法

专利名称：紧凑式电荷转移刷新电路及其刷新方法
紧凑式电荷转移刷新电路及其刷新方法技术领域
本发明属于存储器技术领域，尤其涉及一种紧凑式电荷转移刷新电路及其操作方 法。
背景技术：
近年来，动态随机存储器广泛应用于各类诸如消费类电子产品、图像视频处理芯 片、游戏机等方面。传统上，DRAM相比SRAM在嵌入式设备应用中的主要劣势为存储单元 数据的易失性造成需要刷新，这带来了额外的控制逻辑开销及数据保持功耗开销。在数据 保持功耗中，刷新带来的动态功耗约占30%，这部分动态功耗主要来自于单元的读出写回 操作在位线上带来的电压摆动。
为了降低DRAM的数据保持功耗，传统方案都在空间上把几组位线或阵列划分为 子位线或子阵列，在时序上将一次访问阵列操作根据位线组或阵列的划分分为先后两次的 子操作。参见附图1和附图2，为传统电荷转移刷新电路示意图和操作时序图(参考文献，A crossing charge recycle refresh scheme with a separated driver sense—amplifier for Gb DRAMs, Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers，1995， PP. 101-102)，把一个逻辑行刷新阵列划分成子阵列A和子阵列B，每个子阵列的所有灵敏 放大器虚电源端相连，记作VHn，而子阵列间的虚电源端通过电荷转移开关T相连。这样，子 阵列A/B的寄生电容Cp (包括位线寄生电容Cb和虚电源端寄生电容Cv，Cp = Cb+Cv)和电 荷转移开关T构成了基本的电荷分享模型。附图3为传统电荷转移刷新一次行刷新操作步 骤分解图，其中阶段(I) 阶段(3)为子阵列A刷新阶段，阶段(4) 阶段(7)为子阵列B 刷新阶段。电荷转移发生在阶段(3) 阶段(5):当子阵列A的灵敏放大器开启并且单元 被写回后，位线及虚电源端VHA不立即清零，而是把这部分电荷与子阵列B的虚电源端VHB 共享(如图1中所示电荷转移开关T开启)，作为子阵列B灵敏放大器的电源去驱动其位线 小信号部分放大，从而节省了放大时对于电源的电荷消耗。一次子阵列行刷新(即写回操 作)时间为一个时钟周期，一次行刷新占用2个时钟周期。
传统电荷转移刷新(charge transfer refresh, CTR)使得存储器刷新功耗降低， 但存在以下不足
电荷转移效率有待提闻;
一次行刷新时间可以进一步优化；
电荷转移效率问题和访问阵列操作的时间开销问题。根据电荷分享模型，电荷转 移效率(单位时间内双方寄生电容交换电荷量)与电荷转移开关管尺寸和转移双方寄生电 容大小有关。考虑一次逻辑行刷新操作中，电荷转移开关管开启时间段与其它操作阶段所 占比例，其开启脉冲宽度显然会有一定的限制，且考虑到版图布局因素，电荷转移管尺寸是 确定的，因而提高电荷转移效率的主要因素在于寄生电容的大小，即如何划分阵列；
此外，由于一次访问阵列操作被划分成多次有先后次序的子访问阵列操作，来进 行位线或阵列间的电荷转移操作，因此一次访阵列操作时间变长了。考虑一次逻辑行刷新，如图1和2，在阶段(2)后期和阶段(3)，子阵列A的寄生电容Cp上的电荷处于保持状态， 没有被转移，而此时子阵列B尚未开始刷新操作，因此这段时间成了一次行刷新操作的冗 余时间，相应地存储器的数据可访问性降低了。
另一种传统的电荷转移刷新方法(专利公开号CN 1898748A)，提出再多个阵列之 间多次循环电荷的方法，但仍然存在以下不足，(I)需要在多个阵列之间设立复杂的开关机 制，对应的需要复杂的感应开关控制器，面积利用效率不高；(2)同一行多个阵列之间的电 荷转移刷新步骤松散，行刷新时间长，存储器的数据可访问性不高。
本发明通过对阵列合理划分，提高电荷转移刷新的效率；同时提出紧凑刷新算法， 缩短一次行刷新时间，提高存储器的数据可访问性。发明内容
为了达到上述目的，本发明提出一种紧凑式电荷转移刷新电路，包括大小为M*N 的阵列，按列方向分成t个MX (N/t)子阵列，每个子阵列编号I n，每个子阵列的灵敏放 大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连，M、N、n、 t为自然数，每个子阵列的所有灵敏放大器虚电源端相连，记作VHn，而子阵列间的虚电源 端VHn通过电荷转移开关Tn相连。
优选的，每相邻子阵列的寄生电容Cp和电荷转移开关T构成了基本的电荷分孚丰旲型。
优选的，寄生电容Cp包括位线寄生电容Cb和虚电源端寄生电容Cv，其中Cp = Cb+Cvo
优选的，每个子阵列每隔固定时间Tdelay依次启动刷新，它们的位线放大分为电 荷转移之后的部分放大和灵敏放大器使能信号开启后的满摆幅放大。
优选的，每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常 操作时灵敏放大器的开启时间。
优选的，当进入刷新模式时，每个子阵列将其寄生电容CP上电荷依次转移至下一 阵列，同时为了加快行刷新操作，在每组相邻子阵列进行的电荷转移过程中，使子阵列寄生 电容CP的电荷没有停顿地被转移至另一个子阵列。
为了达到上述目的，本发明还提出一种紧凑式电荷转移刷新方法，将大小为M*N 的阵列，按列方向分成t个MX (N/t)子阵列，每个子阵列编号I n，每个子阵列的灵敏放 大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连，M、N、n、 t为自然数，当进入刷新模式时，每个子阵列将其寄生电容CP上电荷依次转移至下一阵列， 同时为了加快行刷新操作，在每组相邻子阵列进行的电荷转移过程中，使子阵列寄生电容 CP的电荷没有停顿地被转移至另一个子阵列。
优选的，每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常 操作时灵敏放大器的开启时间。
优选的，每个子阵列每隔固定时间Tdelay依次启动刷新，它们的位线放大分为电 荷转移之后的部分放大和灵敏放大器使能信号开启后的满摆幅放大。
优选的，每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常 操作时灵敏放大器的开启时间。
本发明提供了一种用于紧凑电荷转移刷新的结构及方法，在相邻子阵列之间转移刷新电荷，且子阵列的刷新步骤紧凑重叠，既节省了刷新功耗，又显著降低了刷新时间，且控制电路简单，无需额外的面积开销。


附图1为传统电荷转移刷新电路意附图2为传统电荷转移刷新操作时序附图3为传统电荷转移刷新一次行刷新操作步骤分解附图4为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新电路示意附图5为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新一次行刷新操作步骤分解附图6为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新操作示意附图7为三种刷新方案的比较；
附图8为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新的仿真结果；
附图9为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新操作的控制信号时序附图10为根据本发明实施例基于阵列划分的控制信号产生电路。
具体实施方式
附图4为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新电路示意图。把大小为128X256 的阵列按列方向分成4个128 X64子阵列(每个子阵列编号I η)，每个子阵列的所有灵敏放大器虚电源端相连，记作VHn，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连。 作为示例，图中仅仅显示了子阵列A、B、C、D。值得注意的是，这里的实施例仅仅例举大小为 128X256的阵列按列方向分成4个128X64子阵列(每个子阵列编号I η)，本领域技术人员可以理解是不局限于此，可以将其扩展到一般的阵列，例如将大小为Μ*Ν的阵列按列方向分成t个MX (N/t)子阵列(每个子阵列编号I η)，每个子阵列的灵敏放大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连。优选的，t可以选取4。
附图5为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新一次行刷新操作步骤分解图。在阶段(1)，进入刷新模式刷新第η行，子阵列A单元开启，建立位线小信号。在阶段(2)，SAEa 开启，子阵列读出信号满摆幅放大，同时，子阵列B单元开启，建立位线小信号。在阶段(3)， 子阵列A位线摆动，单元被写回，另一边，Tl开启，子阵列B部分放大，同时，子阵列C单元开启，建立位线小信号。在阶段(4)，SAEb开启，子阵列读出信号满摆幅放大。在阶段(5)， 子阵列B位线摆动，单元被写回，另一边，T2开启，子阵列C部分放大，同时，子阵列D单元开启，建立位线小信号。在阶段(6)，SAE。开启，子阵列读出信号满摆幅放大。在阶段(7)， 子阵列C位线摆动，单元被写回，另一边，T3开启，子阵列D部分放大。在阶段(8)，SAEd开启，子阵列读出信号满摆幅放大。在阶段(9)，子阵列D位线摆动，单元被写回。然后刷新第n+1行，回到阶段(I)。由此可知，当存储器进入刷新模式时，每个子阵列将其寄生电容 CPn上电荷依次转移至下一阵列，同时为了加快行刷新操作，在每组相邻子阵列进行的电荷转移过程中，把传统方案中的阶段(4) (7)提前至阶段(2) (3)之间时刻进行，使得子阵列寄生电容CPn的电荷没有停顿地被转移至另一个子阵列。
如图6所示，附图6为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新操作示意图。其中 每个子阵列每隔固定时间Tdelay(Ins)依次启动刷新，它们的位线放大分为电荷转移之后 的部分放大(如阶段(3)、(5)、(7))和灵敏放大器使能信号SAEn开启后的满摆幅放大(如 阶段(4)、(6)、(8));同时每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等 于正常操作时灵敏放大器的开启时间，这样保证了子阵列刷新操作时间与正常操作时间一 致。在一次行刷新操作中，每个子阵列一次行刷新操作时间为一个时钟周期，4个子阵列行 刷新操作构成准并行操作，占2个时钟周期。
附图7为三种刷新方案的比较。其中，阵列大小为128 X 256，子阵列(128X64) — 次行刷新时间为一个时钟周期3ns。采用传统刷新方案一次行刷新时间约为其3. 5倍，采用 传统电荷转移刷新方案一次行刷新时间为其2倍，采用紧凑式电荷转移刷新方案一次行刷 新时间为其2倍。可以看出，提出方案的刷新时间与方案2—致，相比方案I减少43%，而 灵敏放大器功耗相比前两者分别降低了 31. 6%和58. 4%。
附图8为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新的仿真结果。时钟周期Tclk为 3ns。子阵列A D每隔Ins依次开始刷新操作，电荷转移开关Tl T3在刷新模式启动2.4ns后每隔Ins依次开启，对应于图5中的阶段(3)、(5)、(7)，在600ps有效时间内把位 线信号对RBLn/BRBLn部分放大。子阵列灵敏放大器使能信号SAEB/SAEC/SAED在刷新模式 启动3ns后每隔Ins依次开启，对应于图5中的阶段(4)、(6)、(8)，在400ps有效时间内把 位线信号对RBLn/BRBLn满摆幅放大。子阵列虚电源端VHA VHD在中的阶段(3)、(5)、(7) 完成电荷共享，在阶段(4)、(6)、(8)完成驱动灵敏放大器满摆幅放大。写单元在阶段(3)、(5)、(7)、(9)完成。每个子阵列刷新时间为一个时钟周期，一次行刷新时间为两个时钟周 期 6ns ο
附图9为根据本发明实施例紧凑式电荷转移刷新操作的控制信号时序图。当进入 电荷转移刷新模式时，内部刷新使能信号iRREQ有效、与刷新有关的中间控制信号REN_REF 有效。通过信号iRREQ、REN_REF和正常工作模式信号SIGNAL作逻辑，产生在紧凑式电荷转 移刷新模式下的特殊控制信号。
附图10为根据本发明实施例基于阵列划分的控制信号产生电路。由片内产生的 控制信号簇SIGNAL，经子阵列片选信号BSEL分为四路，与REN_REF产生的三路延时信号作 逻辑，最终生成各个子阵列的控制信号簇SIGNAL〈n>。其中，当进入紧凑式电荷转移刷新模 式后，片选信号BSEL变为低电平，使得与非门无效，输出控制信号簇SIGNAL〈n>依赖于REN_ REF产生的三路延时信号。此时由REN_REF产生的三路脉宽DL2，相互延时DLl的信号和由 iRREQ 一路产生的SIGANL信号，成为了最终输出控制信号簇SIGNAL〈n>。
尽管示出和描述了本发明的优选实施例，对本领域技术人员显而易见的是在其更 宽的方面不脱离本发明的情况下可以作出很多变化和修改。本发明可适用于采用任意单元 的动态随机存储器；适用于采用任一种刷新方案(分布式刷新、集总式刷新等)。
权利要求
1.一种紧凑式电荷转移刷新电路，包括大小为M*N的阵列，按列方向分成t个MX (N/t)子阵列，每个子阵列编号I n，每个子阵列的灵敏放大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连，M、N、n、t为自然数，其特征在于 每个子阵列的所有灵敏放大器虚电源端相连，记作VHn，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连。
2.根据权利要求1所述的紧凑式电荷转移刷新电路，其特征在于每相邻子阵列的寄生电容Cp和电荷转移开关Tn构成了基本的电荷分享模型。
3.根据权利要求2所述的紧凑式电荷转移刷新电路，其特征在于寄生电容Cp包括位线寄生电容Cb和虚电源端寄生电容Cv，其中Cp = Cb+Cvo
4.根据权利要求1所述的紧凑式电荷转移刷新电路，其特征在于每个子阵列每隔固定时间Tdelay依次启动刷新，它们的位线放大分为电荷转移之后的部分放大和灵敏放大器使能信号开启后的满摆幅放大。
5.根据权利要求4所述的紧凑式电荷转移刷新电路，其特征在于每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常操作时灵敏放大器的开启时间。
6.根据权利要求3所述的紧凑式电荷转移刷新电路，其特征在于当进入刷新模式时，每个子阵列将其寄生电容CP上电荷依次转移至下一阵列，同时为了加快行刷新操作，在每组相邻子阵列进行的电荷转移过程中，使子阵列寄生电容CP的电荷没有停顿地被转移至另一个子阵列。
7.一种紧凑式电荷转移刷新方法，将大小为M*N的阵列，按列方向分成t个MX (N/t)子阵列，每个子阵列编号I n，每个子阵列的灵敏放大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连，M、N、n、t为自然数，其特征在于 当进入刷新模式时，每个子阵列将其寄生电容CP上电荷依次转移至下一阵列，同时为了加快行刷新操作，在每组相邻子阵列进行的电荷转移过程中，使子阵列寄生电容CP的电荷没有停顿地被转移至另一个子阵列。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑式电荷转移刷新方法，其特征在于每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常操作时灵敏放大器的开启时间。
9.根据权利要求7所述的一种紧凑式电荷转移刷新方法，其特征在于每个子阵列每隔固定时间Tdelay依次启动刷新，它们的位线放大分为电荷转移之后的部分放大和灵敏放大器使能信号开启后的满摆幅放大。
10.根据权利要求9所述的一种紧凑式电荷转移刷新方法，其特征在于每个子阵列刷新操作时，部分放大时间与满摆幅放大时间之和等于正常操作时灵敏放大器的开启时间。
全文摘要
本发明属于存储器技术领域，尤其涉及一种紧凑式电荷转移刷新电路及其操作方法。本发明的紧凑式电荷转移刷新电路，包括大小为M*N的阵列，按列方向分成t个M×(N/t)子阵列，每个子阵列编号1～n，每个子阵列的灵敏放大器的虚电源端VHn相连，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连，M、N、n、t为自然数，每个子阵列的所有灵敏放大器虚电源端相连，记作VHn，而子阵列间的虚电源端VHn通过电荷转移开关Tn相连。本发明既节省了刷新功耗，又显著降低了刷新时间，且控制电路简单，无需额外的面积开销。
文档编号G11C11/402GK103021450SQ201110285030
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者解玉凤, 林殷茵, 孟超, 程宽 申请人:复旦大学