[發(fā)明專利]一種增加鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器使用壽命的電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910091060.8
• 申請日: 2009-08-24
• 公開（公告）號(hào): CN101635167A
• 公開（公告）日: 2010-01-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉勇攀;楊華中;王玨
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G11C11/22
• 分類號(hào): G11C11/22
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 朱 琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種為增加鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器使用壽命的技術(shù)，屬于電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

近年來，集成化芯片系統(tǒng)(SoC：System?on?Chip)是微電子技術(shù)最重要的發(fā)展方向之一。非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)是未來微米納米技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，也是未來SoC應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器存在一些問題，比如掉電信息丟失、讀寫速度慢、可擦寫次數(shù)不夠等等。因此，解決這些問題的途徑之一是利用高速大容量的非揮發(fā)存儲(chǔ)器來替代片上RAM來增加電路的可靠性并有效地降低功耗。?

鐵電技術(shù)是目前被研究的非揮發(fā)技術(shù)之一，鐵電材料是一類具有自發(fā)極化且自發(fā)極化方向可隨外電場方向的改變而改變的介質(zhì)材料。將鐵電薄膜技術(shù)與常規(guī)邏輯電路結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)具有非揮發(fā)特性的邏輯電路，可實(shí)現(xiàn)完全的斷電保護(hù)，從而使信息不會(huì)丟失。?

但是，由于鐵電薄膜可擦寫的次數(shù)是有限的，其讀寫次數(shù)大約在1013左右，對于一個(gè)頻繁擦寫的電路來說，這樣的次數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此需要開發(fā)一種新的方法來增加鐵電薄膜的使用壽命。?

本發(fā)明提出了一種新的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，有效地避免了對鐵電電容不必要的寫操作，從而增加了鐵電電容的使用壽命。該方法的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)了一種新的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)；本技術(shù)可以減少對鐵電電容40％-80％的寫操作次數(shù)。如圖3所示。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種新的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以增加鐵電電容的使用壽命。該方法是基于這樣的事實(shí)：一般看來，電路中大部分的觸發(fā)器中數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)概率并不是很高。很可能寫操作之前觸發(fā)器并沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即要寫入鐵電電容的狀態(tài)與其本身的狀態(tài)是相同的，在這種情況下重新寫一次鐵電電容的操作是不需要的。?

本發(fā)明的特征在于，含有NMOS管M2、PMOS管M1、三個(gè)反相器Φ1、Φ2、Φ3、異或邏輯門XOR、兩個(gè)與門AND1、AND2、以及一個(gè)或門OR，其中：?

NMOS管M2和PMOS管M1：兩者的柵極相連后接寫信號(hào)Wctrl輸入端，所述NMOS管的漏極同時(shí)連到鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器FC-FF的要寫入的狀態(tài)Q的輸出端和所述異或邏輯門XOR的第一輸入端，該NMOS管M2的源極同時(shí)與所述PMOS管M1的源極、所述第二反相器Φ2的輸入端以及所述異或邏輯門XOR的第二輸入端相連，成為之前最后存入的狀態(tài)Qs的節(jié)點(diǎn)，所述PMOS管M1的漏極連到所述第一反相器Φ1的輸出端，該第一反相器Φ1的輸入端和所述第二反相器Φ2的輸出端相連；?

第一與門AND1：三個(gè)輸入端分別輸入所述異或邏輯門XOR的輸出信號(hào)Wen、整個(gè)觸發(fā)器的讀寫控制脈沖信號(hào)PL以及反相的Rec信號(hào)，所述Rec信號(hào)是表示在狀態(tài)恢復(fù)階段要對所述鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的備份部分進(jìn)行讀取的信號(hào)；?

第二與門AND2：兩個(gè)輸入分別為所述Rec信號(hào)和PL信號(hào)；?

或門OR：兩個(gè)輸入分別是所述第一、第二兩個(gè)與門AND1、AND2的輸出信號(hào)，該或門的輸出信號(hào)是對FC-FF輸入的讀寫控制脈沖信號(hào)PL_{FC_FF}，其表達(dá)式如下所示，其中PL是從外部輸入的對整個(gè)觸發(fā)器的讀寫控制脈沖信號(hào)：?

PL_{FC_FF}＝Rec·(Wen·PL)+Rec·PL?

在要進(jìn)行寫操作時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)clk為高電平，寫信號(hào)Wtrl為低電平，該控制信號(hào)PL為高電平，當(dāng)所述要寫入的狀態(tài)Q和之前最后存入的狀態(tài)相同時(shí)，所述PL為低電平，阻止寫入。

在這種結(jié)構(gòu)中，對備份電路的寫操作數(shù)量可能很大，鐵電電容的壽命很難滿足要求，因此在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，加入了一個(gè)狀態(tài)判斷和控制模塊，新的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。這個(gè)模塊可以在每次寫操作之前檢驗(yàn)是否需要重新對非揮發(fā)備份模塊進(jìn)行寫操作。只有在當(dāng)前狀態(tài)和要寫入的狀態(tài)是不同的，才有必要對鐵電電容進(jìn)行寫操作，否則是不必要進(jìn)行重新寫入的，因此這個(gè)模塊可以有效地減少對鐵電電容的寫操作的次數(shù)。?

附圖說明

圖1是鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器(FC-FF)的基本結(jié)構(gòu)；?

圖2是改進(jìn)后的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器(IFC-FF)的基本結(jié)構(gòu)；?

圖3是鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器(FC-FF)與改進(jìn)的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器(IFC-FF)寫操作數(shù)量的比較結(jié)果：其中°代表鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的寫操作數(shù)量，*代表改進(jìn)的鐵電非揮發(fā)觸發(fā)器的寫操作數(shù)量。?

具體實(shí)施方式