第三章 負電壓寫入,Pump 正電壓讀出的 SRAM 設計
3.2 SRAM Cell 改善
當SRAM在操作時，不管是寫或讀的動作，都會將WL開啟，此時除了被指定的 Cell會有寫或讀的動作外，其餘在同一條WL下未被指到的Cell，也都會因WL被開啟 而受到靜態雜訊所影響．故要改善SRAM Cell，確保其能準確地在低壓上操作，就必須 先從改善SNM著手，使之不會因降低了VDD電壓，而使得SNM太過糟糕而造成SRAM Cell被翻轉所儲存的資料．
3.2.1 當 當 當 SRAM Cell 沒有發生不對稱時的 當 沒有發生不對稱時的 沒有發生不對稱時的 沒有發生不對稱時的 SNM 值 值 值 值
圖 3-1 所示為TSMC 0.13um SRAM Cell，在不考慮MOS 不對稱的情況下，針對 不同電壓/不同溫度下所顯示的SNM模擬值．(虛線表示正常操作電壓 1.2v)．我們可
發現SNM會隨著溫度上昇與電壓下降而變差，(因溫度上升，主要使得PD NMOS的
圖3-2 無不對稱之TSMC 0.13um Proposed SRAM Cell SNM模擬圖
表3-1 無不對稱SRAM之SNM模擬值比較
3.2.2 當 當 當 SRAM Cell 有發生不對稱時的 當 有發生不對稱時的 有發生不對稱時的 有發生不對稱時的 SNM 值 值 值 值
在實際情況下，即使Layout是對稱的，但於Silicon上所表現的，還是會因製程因 素而有MOS不對稱性的情形發生．當考慮SRAM Cell的MOS會有不對稱性時，如圖 3-3 所示，其會有PU/PD/PG的不對稱性，而SNMvariation被定義為如下公式(3-1)[3][4]，
公式(3-1)表示此 6 個MOS皆有各自對SNM的變異關係值，故總變異量以平方相加再 開根號來統計，而5.42σ表示含蓋了99.9999%的變異量．其模擬結果如圖 3-4 與表 3-2 所示．
SNM vs VDD (Proposed TF case)
0 50 100 150 200 250
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
VDD (v)
SNM (mv)
SNM_25C SNM_125C SNM_-40C
2
SNM with variation vs VDD
-150.00
SNM VDD 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 SNM_TT -114.77 -0.05 20.71 42.5 54.33 65.03 74.93 83.68 81.73 88.05 87.28
SNM_TF(Proposed) 0.07 19.85 40.61 52.61 74.13 84.93 84.93 93.68 91.73 98.05 97.28
表 3-2 不對稱 SRAM 之 SNM 模擬值比較
由表 3-2 得知，當考慮有不對稱性時(如圖 3-4)，其 SNM 值約比原先無不對稱時(如 圖 3-1,3-2)還低 120mV 左右．且原 SRAM Cell 在 VDD=0.6v, 0.5v 時，其 SNMvariation
的值皆為負的(此表示 SRAM 是無法正常工作的)．而所提出改善的 SRAM Cell 則可正 常工作到 0.5v，改善了約 200mV．
3.2.3 當 當 當 SRAM Cell 沒有發生不對稱時能寫成功的 當 沒有發生不對稱時能寫成功的 沒有發生不對稱時能寫成功的 沒有發生不對稱時能寫成功的 Bit Line 電壓值 電壓值 電壓值 電壓值
當 SRAM Cell 的特性被調成偏向 SNM 那一方時，其對寫的特性必定會受到影響．
故在此章節中，將對寫的特性加以探討．圖 3-5 與圖 3-6 所示為在沒有 MOS 不對稱的 情形下，針對不同電壓/不同溫度下，能寫入成功的 Bit Line 電壓模擬值(WV)．(虛線 表示正常操作電壓 1.2v)．我們可發現 WV 會隨著溫度下降與電壓下降而變差．這是因 為當溫度上升，會使得 SRAM NMOS 的 VT值下降，PMOS 的 VT值反而上升，故 SRAM Cell 儲存”1”的能力變的較弱，換言之，WM 變得較好寫．而表 3-3 為其比較表，所提 出改善的 SRAM Cell 約需比原來的 SRAM Cell 再低 50mV 才能寫入成功，換言之，VDD 值差了 100mV 左右．
圖3-5無不對稱之原SRAM Cell能寫入成功的Bit Line電壓模擬圖
圖3-6 無不對稱之Proposed SRAM Cell能寫入成功的Bit Line電壓模擬圖
表3-3 無不對稱SRAM Cell能寫入成功的Bit Line電壓模擬值比較
Write Voltage vs VDD (TT case)
40
Write Voltage vs VDD (Proposed TF case)
40
3.2.4 當 當 當 SRAM Cell 有發生不對稱時能寫成功的 當 有發生不對稱時能寫成功的 有發生不對稱時能寫成功的 有發生不對稱時能寫成功的 Bit Line 電壓值 電壓值 電壓值 電壓值
Write Voltage with variation vs VDD
-200.00
約45mV，換言之VDD差了100mV左右(為0.8v)，才能正常寫入的操作．故本文於 3.3
CellCell----Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed) 303.22 359.70 425.03 500.58 587.87 688.63 804.83 938.68 1092.65 1269.53 1472.47 Worse %
Cell----Leak_TTLeak_TTLeak_TTLeak_TT 7253.8 7912.5 8600.4 9323.5 10086.9 10895.7 11754.4 12667.6 13640.1 14676.4 15781.6 Cell
CellCell
Cell----Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed) 10774.1 12242.7 13869.6 15672.6 17670.9 19885.1 22337.8 25053.5 28058.9 31383.0 35057.2 Worse %
Cell----Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed)Leak_TF(Proposed) 12.83 15.98 19.80 24.45 30.09 36.93 45.22 55.25 67.36 81.95 99.50 Worse %
Worse %Worse %
Worse % 34547.6 43.23 53.98 419.26 79.89 95.05 111.69 129.84 149.52 170.74 193.51
表 3-5 漏電流對不同溫度與不同電壓之比較表
3.2.6 SRAM Cell 讀的電流 讀的電流 讀的電流 讀的電流
SRAM Cell讀的電流是影響整個SRAM讀的效能最重要的參數，雖SRAM Cell有 些微調整是在PU PMOS上，在理論上是不會對讀的電流有太大的影響．我們還是針對 此重要參數做進一步分析．如表3-6所示，我們可看出，確實在讀的電流上沒有太大的 差異(小於0.5%以內)．
Unit: uA 25C VDD 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Read-Current_TT 3.88 9.45 17.05 25.94 35.70 46.12 57.01 68.23 79.74 91.46 103.40
Read-Current_TF(Proposed) 3.86 9.42 17.01 25.90 35.66 46.08 56.97 68.20 79.70 91.42 103.30
Worse % -0.41 -0.35 -0.23 -0.15 -0.11 -0.09 -0.07 -0.04 -0.05 -0.04 -0.10
125C VDD 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Read-Current_TT 5.42 10.55 17.04 24.51 32.70 41.50 50.78 60.41 70.35 80.55 90.96
Read-Current_TF(Proposed) 5.41 10.53 17.01 24.47 32.67 41.47 50.74 60.37 70.31 80.51 90.92
Worse % -0.29 -0.19 -0.18 -0.16 -0.09 -0.07 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04
-40C VDD 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Read-Current_TT 2.60 8.51 17.18 27.40 38.55 50.32 62.51 74.99 87.69 100.60 113.60
Read-Current_TF(Proposed) 2.58 8.46 17.13 27.35 38.50 50.28 62.47 74.95 87.66 100.50 113.60
Worse % -0.81 -0.59 -0.29 -0.18 -0.13 -0.08 -0.06 -0.05 -0.03 -0.10 0.00
表 3-6 讀的電流比較表