CN104464794B - 一种非挥发性sram存储单元电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非挥发性SRAM存储单元电路,该电路具有数据存储位置Q点,其特征在于:还增加了一个辅助电路,用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复。所述的非挥发性SRAM存储单元电路具体包括:PMOS晶体管M1、M2、M10、C1、C2;NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M11。M9、M10源极连接Q点,漏极连接C1、C2栅极及M11漏极,M9栅极连接信号WAK,M10栅极连接信号C1源极、漏极、衬底连接信号SLP;C2源极、漏极、衬底连接地;M11栅极连接点,源极连接地。该电路有效地节省了待机状态下的能量损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种存储电路,尤其是一种SRAM存储单元电路。
背景技术
静态随机存取存储器(SRAM)多年来被广泛应用于各种场合,尤其在计算机***中实现快速存储功能。由于片上处理器决定了整个***的综合性能,凡是需要快速存取数据的应用,需要保证海量数据能够进行瞬间的交换和传输,特别是在要求初始存取等待时间很短的情况下,都会考虑使用SRAM。历史上SRAM存储器市场曾经几度起伏,大多数时候,整个市场需求量会因为一个新的SRAM应用而暴涨。例如,1995年个人电脑快速增长的时候,SRAM作为CPU的缓存需求量大幅增长。1999年网络市场,以及2003年手机市场的暴发,也使SRAM存储器市场出现了同样的情况。此外,在手机、数码相机、汽车电子、传感器和医疗设备等高技术领域产品设备中,都离不开高性能的SRAM存储器。
根据国际半导体技术路线图(ITRS),2014年片上存储器的面积将会占到专用集成电路总面积的94%,并且会持续增加,其功耗问题也更为突出。随着集成电路工艺特征尺寸的不断缩小,晶体管的阈值电压必须相应地缩小,亚阈值漏电流却呈指数倍增加。在亚65nm工艺下,漏电流消耗的功耗占电路总功耗的50%以上,而且是电路处于休眠状态时功耗的主要来源,因此,降低休眠状态下的泄漏功耗已成为当前低功耗SRAM设计的关键。
传统8管SRAM存储单元如图1所示,该8管单元中NMOS管M7和M8形成一个独立的读端口,通过读字线RWL(Read Word Line)来控制完成单元的读操作,通过写字线WWL(WriteWord Line)来控制NMOS管M5和M6的状态,进而控制单元的写操作。因此在读过程中节点存储的数据不会受到影响,从而改善了传统的6管SRAM单元读噪声容限低的问题。但随着MOS制造工艺的不断进步,晶体管的尺寸变得越来越小,泄漏功耗越来越大。传统8管SRAM存储单元依然存在泄漏功耗大的问题。因此,低泄漏功耗设计已成为当前低功耗SRAM设计的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种非挥发性SRAM存储单元电路,有效地去除了SRAM存储单元较高的泄漏功耗。本发明采用的技术方案是:
一种非挥发性SRAM存储单元电路,该电路具有数据存储位置Q点,其特征在于:还增加了一个辅助电路,用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复。
所述的非挥发性SRAM存储单元电路具体包括:PMOS晶体管M1、M2、M10、C1、C2;NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M11。
M1、M2源极连接电源VDD,漏极分别连接M3、M4的漏极,M1栅极连接M3栅极称为M2栅极连接M4栅极称为Q;M3源极连接M4的源极连接地;M1漏极和M3漏极接Q点;M2漏极和M4漏极接点;
M5源极连接写位线WBLB,漏极连接点,栅极连接写字线WWL;
M6源极连接写位线WBL,漏极连接Q点,栅极连接写字线WWL;
M7漏极连接读位线RBL,栅极连接读字线RWL,源极连接M8漏极;M8源极连接地,栅极连接Q点;
M9、M10源极连接Q点,漏极连接C1、C2栅极及M11漏极,M9栅极连接信号WAK,M10栅极连接信号C1源极、漏极、衬底连接信号SLP;C2源极、漏极、衬底连接地;M11栅极连接点,源极连接地;
M9、M10、M11、C1和C2构成了用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复的辅助电路。
进一步地,
控制信号WAK=SLP=0时,该SRAM存储单元电路处于读写工作状态;
控制信号WAK=0,SLP连接6~12v的高电压时,该SRAM存储单元电路处于断电休眠状态,Q点数据存储在PMOS晶体管C1、C2的栅极即FG点中;
在该SRAM存储单元电路上电同时,信号WAK接入一个高电平脉冲,SLP=0,则处于上电数据恢复状态。
本发明的优点在于:本发明解决了SRAM存储单元掉电数据丢失问题,引入非挥发性存储电路,通过控制信号WAK和SLP的状态切换电路三种不同的工作状态,待机状态前将数据存入非挥发性电路中,随后断电,有效地节省待机状态下的能量损失,实现低功耗SRMA存储单元设计。
附图说明
图1为现有的八管SRAM存储单元结构示意图。
图2为本发明的SRAM存储单元电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所提出的非挥发性SRAM存储单元电路具有读写工作状态、断电休眠状态、上电数据恢复状态;非挥发性SRAM存储单元电路如图2所示,2个PMOS晶体管M1、M2,2个NMOS晶体管M3、M4构成双稳态电路;2个控制电路单元写操作的NMOS晶体管M5和M6;2个读出数据的NMOS晶体管M7和M8;1个CMOS传输门,由NMOS晶体管M9和PMOS晶体管M10构成;1个放电NMOS晶体管M11;2个PMOS晶体管源极、漏极及衬底相连构成电容C1和C2。其中,NMOS晶体管M9和PMOS晶体管M10源极连接PMOS晶体管M1、M2栅极Q点,漏极连接PMOS晶体管C1、C2的栅极FG点,M9栅极连接控制信号WAK,M10栅极连接控制信号C1源极、漏极、衬底连接控制信号SLP,当SLP连接高电压时,晶体管C1和C2作为电容器件,根据C1、C2电容大小进行分压,晶体管C1栅极和漏极压差足够大时,发生隧穿效应,FG点积累正电荷。
各元件的具体连接关系如下:非挥发性SRAM存储单元电路包括PMOS晶体管M1、M2、M10、C1、C2;NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M11;
具体而言,M1、M2源极连接电源VDD(与MOS管相适应的正电压),漏极分别连接M3、M4的漏极,M1栅极连接M3栅极称为M2栅极连接M4栅极称为Q;Q点和点都可作为数据存储位置。M3源极连接M4的源极连接地;M1漏极和M3漏极接Q点;M2漏极和M4漏极接点;
M5源极连接写位线WBLB(Write Bit Line B,后一个B表示和另一个写位线WBL上的信号相反),漏极连接点,栅极连接写字线WWL(Write Word Line);
M6源极连接写位线WBL(Write Bit Line),漏极连接Q点,栅极连接写字线WWL;
M7漏极连接读位线RBL(Read Bit Line),栅极连接读字线RWL(Read Word Line),源极连接M8漏极;M8源极连接地,栅极连接Q点;
M9、M10源极连接Q点,漏极连接C1、C2栅极及M11漏极,M9栅极连接信号WAK,M10栅极连接信号C1源极、漏极、衬底连接信号SLP;C2源极、漏极、衬底连接地;M11栅极连接点,源极连接地。信号WAK和相反。
上述电路中,M9、M10、M11、C1和C2构成了用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复的辅助电路。
上述三态10管SRAM存储单元电路包括三种工作状态即读写工作状态、断电休眠状态、上电数据恢复状态。
1、读写工作状态(信号WAK=SLP=0):当SRAM电路正常进行读写操作时,控制信号WAK=SLP=0,晶体管M9、M10截止,晶体管C1、C2不发生隧穿效应,非挥发性SRAM存储单元与传统8管SRAM存储单元功能相同。
2、断电休眠状态(信号WAK=0,SLP连接高电压):SRAM电路进入休眠状态前,控制信号WAK=0,SLP连接高电压,晶体管M9、M10截止,晶体管C1、C2源极、漏极、衬底相连,栅极作为电容的一个极板,源极、漏极、衬底作为电容的另一个极板,根据C1、C2电容大小进行分压,晶体管C1栅极和衬底、源极、漏极压差足够大时,C1发生隧穿效应,FG点积累正电荷;当Q点=1时,晶体管M11截止,FG点为高电位,Q点数据存储在FG点中;当Q点=0时,晶体管M11导通,FG点放电为低电位,Q点数据存储在FG点中;断电后不具有功耗损失,从而降低SRAM存储单元整体功耗,SRAM上电恢复读写操作后可将FG点存储的数据传输回Q点。SLP连接的高电压,范围在6~12v,比如该电路采用65nm工艺时,接7v电压,采用350nm电压时,接10v电压。
3、上电数据恢复状态(信号WAK接入一个高电平短脉冲,SLP=0):SRAM电路上电同时,控制信号WAK接入一个高电平短脉冲,晶体管M9、M10导通,FG点电荷传输到Q点,实现上电后数据恢复。
本发明引入非挥发性存储电路,通过控制信号WAK和SLP的状态切换电路三种不同的工作状态,待机状态前将数据存入非挥发性电路中,随后断电,有效地节省待机状态下的能量损失,实现低功耗SRMA存储单元设计。
本发明使SRAM具有掉电后数据可恢复功能,有效地去除了SRAM存储单元较高的待机功耗。
Claims (1)
1.一种非挥发性SRAM存储单元电路,该电路具有数据存储位置Q点,其特征在于:还增加了一个辅助电路,用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复;
该电路具体包括:
PMOS晶体管M1、M2、M10、C1、C2;NMOS晶体管M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M11;
M1、M2源极连接电源VDD,漏极分别连接M3、M4的漏极,M1栅极连接M3栅极称为,M2栅极连接M4栅极称为Q;M3源极连接M4的源极连接地;M1漏极和M3漏极接Q点;M2漏极和M4漏极接点;
M5源极连接写位线WBLB,漏极连接点,栅极连接写字线WWL;
M6源极连接写位线WBL,漏极连接Q点,栅极连接写字线WWL;
M7漏极连接读位线RBL,栅极连接读字线RWL,源极连接M8漏极;M8源极连接地,栅极连接Q点;
M9、M10源极连接Q点,漏极连接C1、C2栅极及M11漏极,M9栅极连接信号WAK,M10栅极连接信号;C1源极、漏极、衬底连接信号SLP;C2源极、漏极、衬底连接地;M11栅极连接点,源极连接地;
M9、M10、M11、C1和C2构成了用于数据存储位置Q点的数据的断电休眠记忆与上电恢复的辅助电路;
所述SRAM存储单元电路包括三种工作状态即读写工作状态、断电休眠状态、上电数据恢复状态:
(1)、读写工作状态:信号WAK=SLP=0:当SRAM电路正常进行读写操作时,控制信号WAK=SLP=0,晶体管M9、M10截止,晶体管C1、C2不发生隧穿效应,非挥发性SRAM存储单元与传统8管SRAM存储单元功能相同;
(2)、断电休眠状态:信号WAK=0,SLP连接高电压:SRAM电路进入休眠状态前,控制信号WAK=0,SLP连接高电压,晶体管M9、M10截止,晶体管C1源极、漏极、衬底相连,晶体管C2源极、漏极、衬底相连;晶体管C1和晶体管C2栅极分别作为电容的一个极板,源极、漏极、衬底分别作为电容的另一个极板,根据晶体管C1、C2电容大小进行分压,晶体管C1栅极和衬底、源极、漏极压差足够大时,晶体管C1发生隧穿效应,FG点积累正电荷;当Q点=1时,=0,晶体管M11截止,FG点为高电位,Q点数据存储在FG点中;当Q点=0时,=1,晶体管M11导通,FG点放电为低电位,Q点数据存储在FG点中;断电后不具有功耗损失,从而降低SRAM存储单元整体功耗,SRAM上电恢复读写操作后可将FG点存储的数据传输回Q点;
(3)、上电数据恢复状态:信号WAK接入一个高电平短脉冲,SLP=0:SRAM电路上电同时,控制信号WAK接入一个高电平短脉冲,晶体管M9、M10导通,FG点电荷传输到Q点,实现上电后数据恢复;
通过控制信号WAK和SLP的状态切换电路三种不同的工作状态,待机状态前将数据存入非挥发性电路中,随后断电,有效地节省待机状态下的能量损失,实现低功耗SRMA存储单元。
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