基于两级放大器的STT-RAM读取电路及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于两级放大器的STT-RAM读取电路及其控制方法。所述读取电路包括一开环放大器及与该开环放大器连接的并行磁隧道结、控制逻辑电路和第一反相器，所述第一反相器还连接有第一D触发器和第二D触发器，所述第一D触发器和第二D触发器的时钟控制输入端分别连接至第一时钟输出模块的第一时钟信号输出端和第二时钟信号输出端，所述第一D触发器和第二D触发器的反相输出端分别输出并行磁隧道结中存储的高位数据和低位数据，所述控制逻辑电路还连接有一用于提供参考电压的外部电压输出电路。本发明专利技术提供的读取电路可以有效的提高读取速度，节省了功耗，增大了输出摆幅和增益，提高了与数字系统对接时整个读取电路的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于两级放大器的STT-RAM读取电路及其控制方法
本专利技术涉及一种基于两级放大器的STT-RAM读取电路及其控制方法。
技术介绍
传统的随机存取存储器（RAM）如动态随机存取存储器（DRAM）具有比较低廉的价格，但是存取速度较慢、耐久性较差并且数据只能保存很短的一段时间。由于必须隔一段时间刷新一次数据，这又导致了功耗较大。静态随机存取存储器（SRAM）具有存取速度较快、功耗较低，非易失性等优点，但是价格昂贵、集成度较低。近年来新兴的自旋转移力矩随机存取存储器（STT-RAM）由于其高密度、低漏电流、非易失性、超长的耐久性以及快速读写等优点，有望成为未来高速缓存的首选产品。本专利基于一种新颖的树型读取电路方案，提出了可以有效降低该读取电路总体功耗的改进结构。这种新颖的树型读取方案采用开环放大器作为读取电路的比较器，开环放大器不需要重启时间，可以进行连续比较，故采用开环放大器可以提高电路的读取速度，具有读取时间短的优点。该方案采用两级运放级联结构，增大了输出摆幅和增益，提高了与数字系统对接时整个读取电路的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效的提高读取速度，节省了功耗，增大了输出摆幅和增益，提高了与数字系统对接时整个读取电路的可靠性的基于两级放大器的STT-RAM读取电路及其控制方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于两级放大器的STT-RAM读取电路，包括一开环放大器及与该开环放大器连接的并行磁隧道结、控制逻辑电路和第一反相器，所述第一反相器还连接有第一D触发器和第二D触发器，所述第一D触发器和第二D触发器的时钟控制输入端分别连接至第一时钟输出模块的第一时钟信号输出端和第二时钟信号输出端；所述开环放大器第一MOS管的源极、第二MOS管的源极、第六MOS管的源极和第八MOS管的源极均连接至VDD端，所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，所述第六MOS管的栅极与第一MOS管的漏极相连接至第三MOS管的漏极，所述第八MOS管的栅极与第二MOS管的漏极相连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极相连接至第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极连接至地，所述第六MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，所述第七MOS管的源极接GND，所述第八MOS管的漏极与第九MOS管的漏极相连接至第一反相器的输入端，所述第九MOS管的源极接地，所述第七MOS管的栅极与第七MOS管的漏极及第九MOS管的栅极连接，所述第三MOS管的栅极和第一MOS管的源极分别连接至并行磁隧道结的两端，所述第四MOS管的栅极连接至控制逻辑电路，所述第一D触发器和第二D触发器的反相输出端分别输出并行磁隧道结中存储的高位数据和低位数据，所述控制逻辑电路还连接有一用于提供参考电压的外部电压输出电路；还包括一第十MOS管，所述第三MOS管的栅极与并行磁隧道结的连接点连接至第十MOS管的漏极，所述第十MOS管的源极接地，所述第十MOS管的栅极连接第二时钟输出模块的第三时钟信号输出端。在本专利技术实施例中，所述控制逻辑电路包括由第一D触发器反相输出信号和第一时钟信号输出端输出的第一时钟信号控制的双向开关电路，所述双向开关电路包括相互连接的第一双向开关和第二双向开关，所述双向开关电路用于控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第一、第二和第三参考电压输出端的连接。在本专利技术实施例中，所述双向开关电路的工作原理为：当第一时钟信号为低电平时，控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第二参考电压输出端连接，第三MOS管栅极采集的读取电压与所述第二参考电压进行比较，并由与第一D触发器的输入端连接的第二反相器输出比较结果；当第二反相器输出比较结果后，第一时钟信号变为高电平，控制第一D触发器存储高位数据，并由第一D触发器的反相输出端输出高位数据；当高位数据为高电平时，控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第三参考电压输出端连接；当高位数据为低电平时，控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第一参考电压输出端连接，从而达到读取电路的控制功能。在本专利技术实施例中，所述第一时钟输出模块包括第一延时电路、第二延时电路、第三双向开关和第四双向开关，所述第一延时电路和第二延时电路连接至第三时钟信号输出端，所述第三双向开关和第四双向开关分别用于控制第一延时电路和第二延时电路与第一时钟信号输出端和第二时钟信号输出端的连接。在本专利技术实施例中，所述第一延时电路的延迟时间小于第二延时电路的延迟时间；当整个电路进行高位数据的比较，输出比较结果Vout’，经反相器输出的Vout稳定后，第一延时电路的延迟时间使得第一时钟信号由低电平变为高电平，从而控制第一D触发器存储高位数据；当整个电路进行低位数据的比较，输出比较结果Vout’，经反相器输出的Vout稳定后，第二延时电路的延迟时间使得第二时钟信号由低电平变为高电平，从而控制第二D触发器存储低位数据。在本专利技术实施例中，所述并行磁隧道结包括两层铁磁层和夹杂于两层铁磁层之间的一氧化镁氧化层，其中底层的铁磁层为参考层，具有固定磁向；顶层的铁磁层为自由层，所述自由层通过转变电流改变磁向；所述自由层由独立控制磁向的软区和硬区组成，所述软区和硬区的磁向有四种组合，使得所述并行磁隧道结具有四种电阻状态；所述四种电阻状态的阻值关系为：R11＞R10＞R01＞R00，其中R11、R10、R01、R00分别为并行磁隧道结的存储数据为11、10、01、00所对应的电阻阻值。本专利技术还提供了一种基于上述所述读取电路的控制方法，包括如下步骤，步骤S1：通过第二时钟输出模块，导通第十MOS管，读取电路进入工作状态；步骤S2：采集读取电压，并通过控制逻辑电路将读取电压与外部电压输出电路输出的第二参考电压进行比较；步骤S3：根据读取电压与第二参考电压的比较结果，判断并行磁隧道结所存储的高位数据，并进行下一步比较；步骤S4：根据步骤S3，当读取电压大于第二参考电压时，将读取电压与外部电压输出电路输出的第一参考电压进行比较，并判断并行磁隧道结所存储的低位数据；当读取电压小于第二参考电压时，将读取电压与外部电压输出电路输出的第三参考电压进行比较，并判断并行磁隧道结所存储的低位数据，完成数据读取。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术电路采用开环放大器，节省了电路的重启时间，提高了电路的读取速度；开环放大器采用了两级运放级联结构，节省了功耗，增大了输出摆幅和增益，提高了与数字系统对接时整个读取电路的可靠性；内置控制逻辑，降低了使用难度，和外围系统的控制成本；此外，与其他读取电路相比，本电路采用树型的读取方案，具有较快的读取速度、较小的硬件消耗、较低的成本等优点。附图说明图1为磁隧道结的两种结构图。图2为开环放大器的两级运放基本结构图。图3为本专利技术读取电路的电路原理图。图4为本专利技术所设计的读取电路的工作流程图。图5为控制逻辑电路原理图。图6为第一时钟输出模块原理图。图7为本专利技术读取并行磁隧道结结构的STT-RAM的仿真图。具体实施方式下面结合附图1-7，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术的一种基于两级放大器的STT-RAM读取电路，包括一开环放大器及与该开环放大器连接的并行磁隧道结、控制逻辑电路和第一反相器，所述第一反相器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于两级放大器的STT‑RAM读取电路，其特征在于：包括一开环放大器及与该开环放大器连接的并行磁隧道结、控制逻辑电路和第一反相器，所述第一反相器还连接有第一D触发器和第二D触发器，所述第一D触发器和第二D触发器的时钟控制输入端分别连接至第一时钟输出模块的第一时钟信号输出端和第二时钟信号输出端；所述开环放大器第一MOS管的源极、第二MOS管的源极、第六MOS管的源极和第八MOS管的源极均连接至VDD端，所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，所述第六MOS管的栅极与第一MOS管的漏极相连接至第三MOS管的漏极，所述第八MOS管的栅极与第二MOS管的漏极相连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极相连接至第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极连接至地，所述第六MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，所述第七MOS管的源极接GND，所述第八MOS管的漏极与第九MOS管的漏极相连接至第一反相器的输入端，所述第九MOS管的源极接地，所述第七MOS管的栅极与第七MOS管的漏极及第九MOS管的栅极连接，所述第三MOS管的栅极和第一MOS管的源极分别连接至并行磁隧道结的两端，所述第四MOS管的栅极连接至控制逻辑电路，所述第一D触发器和第二D触发器的反相输出端分别输出并行磁隧道结中存储的高位数据和低位数据，所述控制逻辑电路还连接有一用于提供参考电压的外部电压输出电路；还包括一第十MOS管，所述第三MOS管的栅极与并行磁隧道结的连接点连接至第十MOS管的漏极，所述第十MOS管的源极接地，所述第十MOS管的栅极连接第二时钟输出模块的第三时钟信号输出端。...

【技术特征摘要】
1.一种基于两级放大器的STT-RAM读取电路，其特征在于：包括一开环放大器及与该开环放大器连接的并行磁隧道结、控制逻辑电路和第一反相器，所述第一反相器还连接有第一D触发器和第二D触发器，所述第一D触发器和第二D触发器的时钟控制输入端分别连接至第一时钟输出模块的第一时钟信号输出端和第二时钟信号输出端；所述开环放大器第一MOS管的源极、第二MOS管的源极、第六MOS管的源极和第八MOS管的源极均连接至VDD端，所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，所述第六MOS管的栅极与第一MOS管的漏极相连接至第三MOS管的漏极，所述第八MOS管的栅极与第二MOS管的漏极相连接至第四MOS管的漏极，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的源极相连接至第五MOS管的漏极，所述第五MOS管的源极连接至地，所述第六MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，所述第七MOS管的源极接GND，所述第八MOS管的漏极与第九MOS管的漏极相连接至第一反相器的输入端，所述第九MOS管的源极接地，所述第七MOS管的栅极与第七MOS管的漏极及第九MOS管的栅极连接，所述第三MOS管的栅极和第一MOS管的源极分别连接至并行磁隧道结的两端，所述第四MOS管的栅极连接至控制逻辑电路，所述第一D触发器和第二D触发器的反相输出端分别输出并行磁隧道结中存储的高位数据和低位数据，所述控制逻辑电路还连接有一用于提供参考电压的外部电压输出电路；还包括一第十MOS管，所述第三MOS管的栅极与并行磁隧道结的连接点连接至第十MOS管的漏极，所述第十MOS管的源极接地，所述第十MOS管的栅极连接第二时钟输出模块的第三时钟信号输出端；所述控制逻辑电路包括由第一D触发器反相输出信号和第一时钟信号输出端输出的第一时钟信号控制的双向开关电路，所述双向开关电路包括相互连接的第一双向开关和第二双向开关，所述双向开关电路用于控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第一、第二和第三参考电压输出端的连接；所述双向开关电路的工作原理为：当第一时钟信号为低电平时，控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第二参考电压输出端连接，第三MOS管栅极采集的读取电压与所述第二参考电压进行比较，并由与第一D触发器的输入端连接的第二反相器输出比较结果；当第二反相器输出比较结果后，第一时钟信号变为高电平，控制第一D触发器存储高位数据，并由第一D触发器的反相输出端输出高位数据；当高位数据为高电平时，控制第四MOS管栅极与外部电压输出电路的第三参考电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，于静，王珏，郭仕忠，胡惠文，张泽鹏，何明华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35