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1、国内图书分类号：TN433国际图书分类号：62138西南交通大学研究生学位论文密级：公开年姓专二零一四年六月Classified Index：TN433UDC：62138S outhwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisDESIGN OF DR AM REFRESH CLOCKGENERATION CIRCUIT BASED ONTEMPERATU口之EGrade：201 1Candidate：Yin WanjunAcademic Degree Applied for：Master EngineeringSpeciality：1 ntegrat
2、ed Circuit EngineeringSupervisor：Prof Bai TianRuiJune2014西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密口，在 年解密后适用本授权书；2不保密团，使用本授权书。(请在以上方框内打“寸)学位论文作者签名： 常炳声 指制币虢向天惫日期： Hr彬 日期c2。t u么路。西南交
3、通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：l、指出设计DRAM温度自适应刷新电路的必要性。2、分析研究了结构简单、温度实时性强，线性度好的PTAT冗余监测温度传感电3、设计了适用于DRAM刷新的低频压控时钟产生电路。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名： 攸殉舌日期： 甜P石3弓西南交通大学硕士研究生学位
4、论文 第1页摘 要随着集成电路和微电子技术的迅速发展，高性能处理器对嵌入式存储系统提出了更高的要求，高的记忆密度、低功耗、高速度、低成本是今后存储器的发展方向，如何提高存储器的集成度，降低刷新功耗仍然是目前研究的热点。本论文针对上述问题，提出了一种真正意义上的基于温度的存储器自适应刷新方案。论文针对传统存储器刷新电路的不足，指出设计具有温度自适应刷新电路的必要性。以2T核心存储单元为对象，针对温度升高，漏电流增大，信息保持时间缩短的特点，结合现有基于温度传感器刷新的特点，充分考虑面积、功耗、工艺等性能之间的各种约束，紧紧围绕“温度一电压一刷新频率之间的关系，提出了在存储阵列中加入与温度相关的P
5、TAT冗余单元作为温度传感监测单元，研究了具有线性度好、占用面积小、与MOS工艺兼容、实时性强的温度监测传感电路。本着振荡源的频率要具有随温度变化的要求，详细分析了改变环形压控振荡器频率的方法，选择了电流饥饿型环形压控振荡器电路，以温度监测传感电路的输出电压作为控制电压，设计了基于温度的DRAM刷新时钟产生电路。本文是基于Ad1 06微米标准CMOS工艺设计的，仿真测试结果表明，设计的振荡电路符合DRAM刷新要求。关键词：DRAM刷新；PTAT；电流饥饿；VCO西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I页AbstractWith the rapidly development of integr
6、ated circuits and microelectronic technology,high-performance processors for embedded memory system put forward higher requirements，hi曲memory density,low power,high speed，low cost is the future direction of developmentof memory,how increased integration of memory,reducing the refresh power consumpti
7、onis still the research focusIn this thesis，the above problems is proposed based on the temperature of the memoryof a true sense of the adaptive refresh programAiming insufficient conventional memoryrefresh circuit design has pointed out the need for temperature adaptive refresh circuit2Tmemory cell
8、 core with an object，for temperature increases，the leakage current increases，theinformation retention time shortened featurescombined with existing features based on thetemperature sensor refresh，take into account all area,power,technology and otherperformance between bound tightly around the relati
9、onship between the”temperatureVoltage refresh frequency”the proposed redundancy associated、析th the temperature of theunit iS joined as a PTf虹temperature sensor monitoring unit studied in the storage array hasgood linearity,small footprint compatible with MOS technology,real-time temperaturemonitorin
10、g sensor circuitIn the source oscillation frequency varies with temperature having to request detailedanalysis of the frequency of the VCO to change the ring method，and select the type ofcurrent starvation ring voltage controlled oscillator circuit，the output voltage of thetemperature detection sens
11、or to the circuit as the control voltage，iS designed based on thetemperature ofthe DRAM refresh clock generation circuit111e thesis iS based on the standard AMl 06 unl CMOS process，the simulation resultsshow that the oscillator circuit design meet the DRAM refresh requirementskey words：DRAM refresh；
12、PTAT；The current hunger；VCO西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I l页目 录第1章绪论111课题研究的背景与意义11。2国内外研究现状1121国内外DRAM工艺、电路改进研究现状1122国内外温度传感器研究现状2123国内外压控振荡器研究现状313论文的研究内容及组织结构314论文章节安排415本章小结4第2章DRAM及传统刷新方案521 DRAM核心存储单元5211 1T1C DRAM6212 2TDRAM单元722基于温度监测的传统刷新方案8221 DDR3刷新方案8222冗余“1”单元温度刷新方案923基于比较器的其他温度刷新方案1l24传统刷新方案的局限性1
13、l25本章小结12第3章基于温度的刷新电路分析与设计1331温度监测传感单元1332具有温度特性的刷新电路14321基于MOS管阈值电压温度特性的刷新电路14322基于三极管温度特性的刷新电路16323基于与存储阵列完全相同的MOS管温度特性的刷新电路1833具有温度特性的刷新电路的比较1934本章小结19第4章温度监测单元及刷新时钟产生电路研究2041温度监测电路20西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 V页411 PTAT单元电路20412 PTAT监测电路22413整体PTAT监测电路2342刷新时钟产生电路25421压控振荡器的实现形式25422 MOS环形振荡器电路结构26423时钟
14、产生电路延时单元优化技术27424电流饥饿型振荡器单元3243本章小结35第5章DRAM刷新时钟产生电路设计与仿真3651刷新时钟产生电路及仿真36511振荡电路中反相器链级数及其他参数确定36512仿真原理图38513仿真结果3952仿真结果分析4253本章小结44总结与展望45致谢46参考文献47攻读期间论文发表及专利情况50西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章 绪论11课题研究的背景与意义存储器依据其容量、成本和速度应用于各种领域，随着智能设备的广泛应用和信息技术的迅速发展，高性能存储器与计算机中央处理器的直接数据读写对存储系统提出了更高的要求n，以满足数据处理速度上的匹配。近年
15、来，随着工艺尺寸的不断缩小和手持式移动设备应用的蓬勃发展，高性能动态随机存储器(DRAM)在SoC中的应用越来越广泛，然而随着微电子技术和集成电路的发展，一方面需要在逻辑工艺和接口兼容性上可以媲美SRAM，另一方面又希望在功耗和密度上有优势乜3。2TGC增益存储单元以其存储密度高、功耗低、可缩性好、数据保持时间较长、与传统CMOS的工艺相互兼容等的优势，己作为新型无电容的存储器件成为DRAM的有力候选之一口1，受到了国I为#1-许多研究机构和厂商的关注。但是目前对DRAM的研究主要集中于在工艺方面的改进和核心存储单元的结构上，其架构和电路还相对不够完善。并且由于存储器件本身亚阈值漏电严重，温度
16、变化对比特信息的影响较大，加上核心存储单元电容量小，以及在实际应用中需要频繁刷新导致刷新功耗较大，数据带宽降低等的局限，都使得移动式与便携式电子产品的待机时间极短，因为功率被刷新存储器耗用，因此有必要对存储器刷新电路进行优化和完善，如何解决此问题，便是存储器研究的一个重要课题。12国内外研究现状延长DRAM刷新周期、降低刷新频率的方法有很多，工艺、材料学家侧重于改变材料种类，电路专家注重于改变电路的结构设计。但目前研究的主要方向都侧重于改变DRAM制造过程中的工艺掺杂以及工艺改进技术和新型材料的应用上H1。121国内外DRAM工艺、电路改进研究现状日本富士通微电子株式会社在2008年研究发现，
17、通过注入BF2“+的方案，可以改善DRAM存储时间，降低刷新频率畸1：2009年美国高通股份有限公司通过配置存储器系统在不同模式指定不同刷新频率，以此来适应不同温度的刷新频率。国内有关专家学者通过分析对比再创新后，借鉴国外最新研究成果，结合自身实际，把改进重点放在减小电荷流失量和增加电荷存储量两个大的方向上。以“理论一推理一实验一验证“的方式为基本研究方式，对新工艺进行评估，引入了诸如存储单元内热处理工艺和其他掺杂等多种新的工艺或工艺整合技术，使得存储单元存储时间西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页有了较好的改善H3。复旦大学国家集成电路重点实验室最新实验发现，通过增加层叠型电容的高度能显著
18、提高电容值，电容值的增加延长了存储信息的存储时间，从而降低了刷新频率隋刊；西安电子科技大学VLSI实验室郝跃、张玉明、朱樟明、杨银堂等教授有实验发现削弱源漏与衬底间的电场强度也能有效减少电荷流失，有利于延长刷新周期n 0|。对基于温度的刷新电路要么是采用固定刷新，要么就是设置模式寄存器，在不同温度段采用离散的不同的刷新频率。比较典型的产品就是DDR3，采用了一种新型的根据温度变化自动选择刷新时钟的设计，其原理是通过内置于DRAM芯片的温度传感器来监测温度，当温度高于某一临界值时选择一种较高的频率，低于该值时为正常刷新频率；国内比较有影响意义的是复旦大学集成电路国家重点实验室林殷茵教授提出的基于
19、冗余的交错并行隐式刷新设计，核心思想是周期性的检测片内温度，将监测温度变化为电压信号与快速比较器比较，确定是否需要刷新n1|。由于DRAM核心存储单元温度变化对存储信息影响较大，所以基于温度的刷新电路的研究重点是温度传感器和刷新电路。122国内外温度传感器研究现状(1)国内温度传感器研究现状国内众多高校、科研院所、企事业单位大都倾向于多学科、多领域交叉传感器技术的研究，如清华大学微电子研究所研制的新型硅基厚膜压力温度传感器，敏感元件有压阻式压敏元件和热敏元件两部分n别，该传感器不但可以测量物体表面的压力还可以测量物体的温度，大大提高了测量精度、线性度和稳定性，减小了工艺复杂度。此外东南大学、复
20、旦大学等科研院所正在研制应用在工业领域的多功能温度传感器，从“十一五”规划纲要至今，我国传感器市场总体保持着快速发展的格局，最新的传感器尽管大多都在国外首先被开发，但真正的应用却往往在我国，如光纤温度传感器、PH值温度传感器、MEMS温度传感器等一大批新型温度传感器在我国航天、医疗、工业等领域发挥着重要作用。(2)国外温度传感器研究现状国外对传感器技术的研究和发展水平大大高于国内，为了满足各个领域应用的需要，业界都倾向于设计研制单个或多个指标异常突出的温度传感器。ADI公司研制的高精密、低漂移数字温度传感器ADT7420和ADT7320具有完全校准的16位分辨率和很高的线性度，工作电压为33V，工作电流仅为210uA，在-20。C至+105。C温度范围内，精度可达025。C的u31 4|。另外这种温度传感器接口灵活，可即插即用，可方便的应用于通信、数据采集、环境控制等领域的温度监测中。目前国外温度传感器的研究趋势是提高测温精度和分辨率、增加测试功能、规范