0 引 言
    動(dòng)態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)以電荷形式存儲在電容中，因?yàn)镸OS晶體管漏電，電荷會逐漸漏失，最終造成數(shù)據(jù)丟失。所以，動(dòng)態(tài)存儲器就需要不斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，補(bǔ)充電荷。由于漏電流的大小受溫度影響較大，導(dǎo)致電荷在存儲器電容中的保持時(shí)間隨著溫度改變而改變。傳統(tǒng)的刷新電路產(chǎn)生刷新信號的時(shí)鐘周期是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，固定不變，無法根據(jù)溫度的變化自己調(diào)節(jié)周期，因此，傳統(tǒng)的刷新電路設(shè)計(jì)的刷新時(shí)鐘是基于高溫的情況，刷新頻率很快，這樣就使得常溫的時(shí)候刷新比較頻繁，消耗大量功耗。
    本文提出一種具有溫度自適應(yīng)的刷新時(shí)鐘電路，其頻率隨著溫度上升而上升。電路由基本的MOS管構(gòu)成，利用了Diodes方式(二極管方式)連接的MOS管電流隨溫度變化的特點(diǎn)。電路不僅具有溫度特性，降低了功耗，而且占面積小，與一般的CMOS工藝完全兼容，不需要工藝上的特殊處理。

1 電路結(jié)構(gòu)
    圖1給出刷新時(shí)鐘電路示意圖。電路左邊是一條反相器反饋鏈，反相器鏈輸出和使能信號EN共同控制一個(gè)兩輸入端的與非門，與非門的輸出連接上拉管MP1的柵極，下拉管MN1柵極和刷新電路的時(shí)鐘輸出；反相器鏈輸入端連接的是電容C1，而且反相器鏈的輸入端的第一個(gè)反相器是施密特反相器。電路的右邊是時(shí)鐘調(diào)整單元。時(shí)鐘調(diào)整單元主要由一條充放電的通路構(gòu)成，通路由3個(gè)基本的MOS管組成，其中上拉管MP1受與非門輸出控制，用于對電容C1進(jìn)行充電；下拉管MN0也受與非門輸出控制，其狀態(tài)正好與MP1管相反，用于開啟放電通路，對電容C1進(jìn)行放電；放電管MP0主要用于對電容C1放電，以Diodes方式連接。

2 電路工作原理
    電路上電后，EN信號使能，電容C1沒有儲存電荷，Vcap點(diǎn)電壓為低電壓“0”，通過反相器鏈的反饋?zhàn)饔?，N0點(diǎn)電壓是低電壓“0”，上拉管MP1開啟，下拉管MN1關(guān)閉，電源對電容C1充電，MP1的尺寸比較大，所以充電速度比較快，電容C1迅速被充到高電平。當(dāng)電容C1電壓超過了施密特反相器的上翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(假設(shè)為VM+，VM+>Vdd／2)，反相器鏈開始轉(zhuǎn)變狀態(tài)，通過反相器鏈的傳播，在N0點(diǎn)處，電壓變?yōu)楦唠娖健?”，迫使上拉管MP1關(guān)閉，下拉管MN1開啟，電容C1停止充電，開始通過放電通路泄放電荷，電容電壓Vcap開始下降。當(dāng)電容電壓低于施密特反相器的下翻轉(zhuǎn)點(diǎn)(假設(shè)為VM-，VM-<Vdd／2)，反相器狀態(tài)改變，經(jīng)過反相器鏈，N0點(diǎn)電壓處重新變?yōu)榈碗娖健?”，上拉管MP1開啟，下拉管MN1關(guān)閉，電容又重新開始充電過程。在反復(fù)的充放電過程中，電路在OUT點(diǎn)產(chǎn)生了振蕩時(shí)鐘。

    對于MOS電容C1，可以近似認(rèn)為是平板電容：
    C*U=Q
式中：C為電容大小，U為電容電壓(即Vcap點(diǎn)電壓)。隨著放電通路開啟，電容C1中的電荷Q逐漸漏失，電容的大小C不變，電容電壓U開始下降。同時(shí)，對于放電通路，MP0管以DIODES方式連接，MP0一直處于飽和狀態(tài)，對于飽和電流公式：

   
式中：Vth是閾值電壓，Vgs是柵源電壓。Ugs對應(yīng)于電路上就是MP0管兩端電壓，又由于MN1是下拉管，尺寸大，所以放電通路開啟后，MP1管的柵端和漏端電壓基本等于地電壓，而且MP1管的源端又連接在電容上，所以，可以認(rèn)為Vgs就是電容電壓。因?yàn)殡娙蓦妷弘S著漏電下降，即Vgs隨漏電下降。所以根據(jù)飽和電流公式，電流Ids呈平方關(guān)系減小。隨著Ids減小，電容電荷漏失的速度變慢，電容電壓下降的速度也隨之變慢。
    圖2說明的是以Diodes方式連接的晶體管，不同溫度下的電流和柵源電壓之間的關(guān)系。當(dāng)柵源電壓比較高的時(shí)候，高溫時(shí)的飽和漏電流比低溫時(shí)的電流要低；相反地，當(dāng)柵源電壓下降到閾值電壓附近，高溫時(shí)的飽和漏電流就比低溫時(shí)的電流要高。利用低柵源電壓的電流的溫度特性，高溫時(shí)，飽和漏電流Ids比低溫時(shí)大，電容C1的電壓下降得快，更快到達(dá)施密特反相器翻轉(zhuǎn)點(diǎn)VM-，電路振蕩時(shí)鐘周期就會比較短，相應(yīng)地，其頻率就更快，就能夠體現(xiàn)出時(shí)鐘溫度的特性。

3 仿真結(jié)果分析
    圖3(a)是電容C1的電壓U在不同溫度下隨時(shí)間的變化曲線。電路開始工作后，在每個(gè)周期開始的階段，電容電壓C1處于高電平狀態(tài)，此時(shí)，通過MP0管的飽和電流Ids比較大，電容電壓下降得很快，在較短的時(shí)間內(nèi)就下降到了接近開啟電壓附近，即MP0管進(jìn)入低柵源電壓狀態(tài)，這個(gè)變化過程對應(yīng)于圖上的曲線較陡的部分。當(dāng)MP0進(jìn)入低柵源電壓狀態(tài)，飽和電流，Ids值開始下降，電壓下降逐漸呈現(xiàn)越來越緩慢的趨勢，此時(shí)的變化過程對應(yīng)于圖上曲線較平緩的部分。根據(jù)圖2的分析，以Diodes方式連接MOS管的電流大小的溫度特性在高低柵源電壓區(qū)正好相反，但是，從圖3電容C1的電壓變化曲線顯然得出：時(shí)鐘的周期取決于平緩的曲線部分。高柵源電壓部分時(shí)間太短，即使這個(gè)階段高溫時(shí)的電流比低溫時(shí)的電流小，也可以忽略這部分時(shí)間的作用。所以低柵源電壓的部分溫度特性才最終決定了電路的溫度特性。

    對比分析不同溫度下電容C1充放電的電壓變化曲線：溫度越高，充放電頻率越快。圖3(b)是電路時(shí)鐘輸出點(diǎn)的電壓的變化，對應(yīng)于圖3(a)的曲線，輸出時(shí)鐘受MP0管的溫度特性影響，高溫時(shí)的時(shí)鐘頻率比低溫時(shí)要快，而且輸出的時(shí)鐘是一個(gè)占空比很小的脈沖，脈沖的寬度取決于反相器鏈的反饋時(shí)間。
    新時(shí)鐘電路消耗的功耗非常低，圖4(a)是刷新電路自身消耗的功耗，整個(gè)電路的平均工作電流都維持在10μA以下，比起傳統(tǒng)的刷新電路自身消耗的功耗相差無幾，甚至更低。圖4(b)是電路的刷新頻率隨溫度變化的趨勢，室溫(25℃)時(shí)的頻率比起高溫(125℃)時(shí)降低將近50％。所以，在存儲器的其他外圍電路的功耗相等的情況下，存儲器陣列室溫時(shí)用于刷新的功耗，與高溫相比，就相應(yīng)地減少了50％，尤其是在存儲器長時(shí)間處于standby狀態(tài)(不進(jìn)行讀寫，保持存儲器原有的數(shù)據(jù))時(shí)，將節(jié)省一半的功耗。

4 結(jié) 語
    經(jīng)過仿真測試表明，新的刷新時(shí)鐘電路的輸出頻率具有優(yōu)越的溫度特性，而且新電路的設(shè)計(jì)只采用了MOS晶體管器件，沒有用到電阻和雙極晶體管等大面積器件，因此整個(gè)電路的面積小。此外，電路自身消耗的功耗非常小。所以，與傳統(tǒng)的頻率不變的刷新電路相比較，新電路具有性能好、功耗低、成本低的優(yōu)勢。