專利名稱：讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及讀出電路。
背景技術(shù)：
讀出電路的形式通常為讀出放大器，具有廣泛用途。讀出放大器被認為是隨機存儲存儲器(RAM)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其中它的作用是識別和放大表示存儲在一個矩陣存儲單元內(nèi)部的一個存儲元件中的數(shù)字信息的電壓電平。
這些矩陣存儲單元可以被認為是存儲電容器矩陣，現(xiàn)行的多數(shù)讀出放大器都基于存儲電容器中存儲的電荷的電壓檢測。任何存儲電容器上的電壓電平都對應(yīng)于該電容器中存儲的邏輯狀態(tài)或信息(0或1)。在最簡單形式的讀出電路中，存儲電容器上的電壓電平與一個中間值比較，將差值放大以表示電容器中存儲的是邏輯狀態(tài)0還是1。但是，當信息輸入所述存儲單元時，在存儲電容器中只發(fā)生少量的電荷重新分布，因此，存儲在存儲單元陣列的任何存儲電容器中的電壓電平都非常低。因此，讀出放大器很難區(qū)別任何單元中存儲的邏輯0和邏輯1，因此，必須采用靈敏度非常高的高增益放大器，其造價也很高。
也有人提出一種改進的讀出電路，其中，比較將數(shù)字信息存儲為互補邏輯的一對存儲單元的電壓，并利用正反饋放大該對單元之間發(fā)生的微小電壓差。但是，因為電壓差很小，所以還是必須采用特別靈敏的高增益讀出放大器。
還有一種已知的方式是將RAM配置為鐵電存儲器，其中用鐵電存儲器代替存儲器單元中的常規(guī)電容器。在這樣的鐵電RAM中，邏輯0和1對應(yīng)于當作用于鐵電電容器的電壓為0時，電容器的極性狀態(tài)。


圖1示出鐵電電容器的典型特征。可以看出，鐵電電容器具有兩個極性狀態(tài)，并表現(xiàn)出介電滯后現(xiàn)象。要將這樣的鐵電電容器從一種極性狀態(tài)切換到另一種極性狀態(tài)，根據(jù)該電容器當前極性狀態(tài)的不同，必須將絕對值大于Vc的負電壓脈沖或正電壓脈沖作用于該單元。因此，如果要將例如邏輯狀態(tài)1這樣的信息寫入該單元，就必須作用絕對值大于Vc的負電壓脈沖Vw，從而使電荷Q‘1’存儲在單元中。對單元極性狀態(tài)的檢測，即檢測所存儲的是Q‘1’還是Q‘0’，是通過作用一個幅值VR大于電壓Vc的正讀脈沖，并檢測單元的極性狀態(tài)是否改變來執(zhí)行的。例如，假設(shè)單元中初始存儲的邏輯狀態(tài)1，如圖1所示，鐵電電容器中存儲的電荷為Q‘1’，讀脈沖VR的作用使得鐵電電容器改變極性狀態(tài)，導致讀脈沖停止后電荷為Q‘0’。電荷從Q‘1’到Q‘0’的變化表示單元中存儲的信息為邏輯狀態(tài)1。但是，如果單元中初始存儲的邏輯狀態(tài)0，則正的讀脈沖VR的作用將不會引起鐵電電容器改變極性狀態(tài)。因此，由于極性狀態(tài)沒有改變，電荷的變化很小，這表示單元中存儲的是邏輯狀態(tài)0。
極性狀態(tài)的切換引起電荷流出，該過程被讀出放大器檢測到。但是，從圖1可以看出，當作用讀脈沖VR并且發(fā)生極性改變時，鐵電電容器中的電荷從Q‘1’變?yōu)镼‘0’，除非作用一個絕對值大于Vc的負電壓脈沖，否則電荷將不會恢復(fù)到Q‘1’。因此，當發(fā)生極性狀態(tài)改變時，初始存儲的邏輯狀態(tài)被擦除，存儲的數(shù)據(jù)丟失，如果該數(shù)據(jù)以后還有其它用途，則必須進行補充。因為存儲的邏輯狀態(tài)丟失，所以將這種從單元中讀出信息稱為破壞性讀出。
有人提出將電壓檢測讀出放大器改為檢測從鐵電電容器中流出的任何電荷，這樣的電路示于圖2。通常，鐵電動態(tài)RAM單元包括一條比特線BL，當從單元中讀信息時，BL上的電壓指示該單元中存儲的邏輯狀態(tài)，鐵電動態(tài)RAM單元還包括一條字線WL，用于同時向一行鐵電電容器作用讀信號，圖2中所示鐵電電容器CFE為該行電容器中的一個。放大器2耦合到比特線BL，以便響應(yīng)當讀一個單元時，由于極性狀態(tài)的任何變化而引起的任何流出鐵電電容器的電荷來提供一個輸出信號O/P。提供一個比特線參考電容器CBL，連接到比特線BL，鐵電電容器的極性狀態(tài)的改變所引起的電荷變化反映在參考電容器CBL上的電壓變化。該電壓出現(xiàn)在比特線BL上，并由放大器3放大，以提供所述輸出信號O/P。
為了提供輸出信號O/P的合理幅度的擺動，參考電容器CBL的值必須較小。該讀出技術(shù)的問題在于，如果鐵電電容器的極性改變，則參考電容器CBL中存儲的電壓將減小字線WL和比特線BL之間的有效電壓。這使得很難使用如圖1所示的小激勵或讀出電壓VR來查詢該單元，從而總體上降低單元陣列的功耗?？梢酝ㄟ^減小存儲單元的大小來減小參考電容器CBL的大小，但是，如果極性狀態(tài)確實改變，存儲的電荷也減少，因此，在放大器2輸出端的電壓減小，這意味著放大器2必須更靈敏，以便當極性狀態(tài)改變時，提供輸出信號O/P的充分改變。
此外，已知動態(tài)RAM表現(xiàn)出比特線電容，這是存儲器單元設(shè)計所固有的，無法減小。由于隨著單元大小的減小，參考電容器CBL的值也越來越小，以實現(xiàn)每條比特線上更多的單元和更大的總存儲容量，很容易達到存儲容量的限制，因為比特線電容與參考電容器CBL相比變得較大，并且將占優(yōu)勢。這導致讀出過程中比特線電壓的擺動急劇降低，因此，必須采用非常靈敏的高增益放大器以實現(xiàn)可靠的讀出，其造價相應(yīng)地提高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進形式的讀出電路，其在優(yōu)選應(yīng)用中，能夠擴大RAM系統(tǒng)的存儲容量，還可以使存儲器單元以及系統(tǒng)的功耗降低。本發(fā)明還尋求提供一種操作讀出電路的改進的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種讀出電路，用于檢測電容器元件中存儲的電荷，包括一個充電積分器電路，用于從電容器元件接收電荷；鑒別器電路，串聯(lián)耦合到所述充電積分器電路。該鑒別器電路包括第一輸入端，用于從積分器電路接收輸出信號，和第二輸入端，用于接收參考電壓信號。
充電積分器電路可以包括一個放大器；耦合在該放大器輸入和輸出端子之間的反饋電容器，用于存儲從電容器元件接收的電荷；耦合到反饋電容器一端的第一開關(guān)裝置，用于將所述一端連接到第一電源；以及耦合到反饋電容器另一端的第二開關(guān)裝置，用于將所述另一端連接到另一電源。
在另外的設(shè)計中，鑒別器電路包括一個反向器電路，用于提供輸出信號，該輸出信號當充電積分器電路的輸出信號幅度超過參考值時，從第一電平變?yōu)椴煌诘谝浑娖降牡诙娖健?br> 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種操作讀出電路的方法，該讀出電路包括一個充電積分器電路，串聯(lián)耦合到一個鑒別器電路，用于接收一個電容器元件陣列中的一個電容器元件中存儲的電荷，每個電容器元件都用來存儲電荷，該方法包括將第一脈沖信號作用于所述電容器元件和陣列中選定的其它電容器元件；將第二脈沖信號作用于所述電容器元件和陣列中選定的其它電容器元件；將第三和第四脈沖信號作用于陣列中選定的其它電容器元件。第一、第二、第三、和第四脈沖信號用于使所述電容器元件中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到充電積分器電路，但不使其它電容器元件中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到充電積分器電路。
本發(fā)明還提供一種隨機存取存儲器電路或生物傳感器，如DNA傳感器或指紋傳感器，或者電荷耦合的設(shè)備，如照相機或顯微鏡，其中包含了根據(jù)本發(fā)明第一方面的讀出電路，或根據(jù)本發(fā)明第二方面的方法操作的讀出電路。
附圖簡述下面參考附圖，通過舉例的方式對本發(fā)明加以說明。
圖1示出鐵電電容器的典型電荷-電壓特征；圖2示出用于鐵電存儲器的電壓檢測讀出放大器；圖3示出一種電路，用于檢測鐵電存儲器中存儲的數(shù)據(jù)，該電路包含根據(jù)本發(fā)明的讀出電路；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的讀出電路操作的波形時序圖；圖5示出圖3所示電路中使用的充電積分器電路的另一實施例；圖6示出圖5所示充電積分器在讀出周期中的輸出電壓。
具體實施例方式
參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的讀出電路包括一個積分器4，串聯(lián)耦合到鑒別器6。積分器4包括放大器8，該放大器8具有反饋電容器10和與該反饋電容器10并聯(lián)連接的開關(guān)裝置SAS。
放大器8具有第一反向輸入端，其可以通過第一開關(guān)裝置BLS耦合到鐵電RAM單元12，還包括第二非反向輸入端，連接到地。
鑒別器電路6在圖示實施例中包括一個比較器，該比較器具有耦合到充電積分器4輸出端的第一輸入端和連接參考電壓源VREF的第二輸入端。鑒別器6的輸出通過使能電路14和緩沖電路16連接到輸出端子18，在輸出端子18提供輸出邏輯。
使能電路14為AND電路形式，具有從鑒別器6接收輸出信號的一個輸入端和接收使能信號SEN的第二輸入端。
RAM12包括一個排列成行和列的存儲器單元矩陣陣列，該陣列的任何單元都可以通過在字線和比特線上作用適當信號而被有選擇地尋址，所述字線和比特線有選擇地連接到陣列的單元。為簡單起見，圖3中只示出一行這樣的存儲器單元。從圖中可見，實際上，陣列的每行包括多個連接到比特線BL的鐵電電容器，由于單元的固有設(shè)計，陣列的每行還包括一個比特線電容C1。該行的每個單元還連接到相應(yīng)的字線WL。RAM12的每個單元可以以串行方式查詢，以判斷每個單元中存儲的邏輯狀態(tài)。因此，在使用中，RAM12在任何時間點都可以被看作包括一個有激活單元20和若干個非激活單元的結(jié)合，如圖3中的單元行中的非激活單元22。
激活單元20的字線WL連接到信號源24，該信號源可以提供“字激活讀”WAR和“字激活寫”WAW信號，如圖4所示。非激活單元22由它們各自的字線連接到信號源26，該信號源26可以向非激活單元22提供“字非激活讀”WIR和“字非激活寫”WIW信號。
開關(guān)BLS和RAM12之間的節(jié)點28通過另一開關(guān)BLD耦合到信號源30形式的比特線驅(qū)動器電路，用于向RAM12的單元預(yù)先輸入或?qū)懭霐?shù)據(jù)。信號源30可以通過開關(guān)BLD向RAM的比特線BL選擇提供“比特非激活讀”BIR、“比特非激活寫”BIW、“比特激活讀”BAR和“比特激活寫”BAW信號。
圖3中將開關(guān)SAS、BLS和BLD簡化表示為觸點開關(guān)，但實際上這些開關(guān)將由任意合適的固態(tài)切換設(shè)備如MOSFET或薄膜晶體管等構(gòu)成。
本發(fā)明的讀出電路基于可操作放大器，該放大器對從激活單元20接收到的電荷進行積分。因為該可操作放大器的一個輸入端接地，所以比特線電壓實際上也被鉗位到虛擬地。這樣可以使鐵電電容器上的電壓擺動最大化，從而當激活單元中的極性發(fā)生切換時，從激活單元20輸出的電荷也最大化。由于比特線BL上的電壓實際上固定到虛擬地，所以比特線電容的影響也減小，而不會占優(yōu)勢。因此，充電積分器4的反饋電容器10可以選擇很小的電容，從而增加電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益，并提供良好的電壓靈敏度。
操作中，首先開關(guān)BLS打開，BLD閉合，比特激活寫B(tài)AW信號從信號源30饋送到比特線BL。同時，字非激活寫WIW信號被信號源26饋送到非激活單元24的字線上，字激活寫WAW信號饋送到激活單元20的字線上。作用于激活單元20的字線和比特線之間的兩個寫信號BAW和WAW的組合的電壓幅度比圖1所示電壓-Vc更負，因此，數(shù)據(jù)在激活單元中存儲為Q‘1’，隨后信號BAW和WAW停止，作用于激活單元上的電壓為0。
圖4示出一個典型的讀周期的時序圖。為了讀取存儲的數(shù)據(jù)，首先開關(guān)SAS閉合，以放電，從而將充電積分器4的反饋電容器10放電。開關(guān)SAS保持閉合，直到圖4中的時間A，圖4中的時間段A-B為開關(guān)SAS打開所需的時間。在時間A之前很短的時間C，原來閉合從而將信號源30耦合到RAM12的開關(guān)BLD打開，以便斷開比特線和信號源30的連接，且開關(guān)BLS閉合，從而將放大器8的第一或非反向輸入端耦合到RAM12的比特線BL，同時耦合到激活單元20。開關(guān)SAS、BLS和BLD的這些操作定時可以在圖4中看出。
充電積分可以從開關(guān)SAS打開時的時間B開始，持續(xù)到開關(guān)SAS被再次閉合時，以復(fù)位電容器10。開關(guān)SAS閉合的該定時在圖4中示為D。但是，考慮到鐵電電容器CFB的特征，如圖1所示，必須激勵鐵電電容器以確定是否發(fā)生極性狀態(tài)切換。這是通過向激活單元20作用信號WAR和BAR，以及向非激活單元22作用信號WIR和BIR而實現(xiàn)的。這些信號的波形和定時也示于圖4。
RAM實際上包括一個存儲器單元矩陣陣列，圖3中只示出一行這樣的矩陣陣列。因此，當陣列的比特線和字線在任何特定時間點被激活時，RAM實際上將包括一個激活單元和三種形式的非激活單元。
激活的比特線和字線交叉點處的單元為激活單元。例如圖3所示單元行中的激活單元20，其位于激活字線WL和激活比特線BL的交叉點處。但是，RAM還將包括該激活比特線上因為它們各自的字線為非激活而保持非激活的單元(激活比特線和非激活字線交叉點處的非激活單元)。此外，RAM還將包括耦合到激活字線，但因為它們的比特線非激活而保持非激活的非激活單元(激活字線和非激活比特線交叉點處的非激活單元)，例如矩陣中耦合到字線WL的另一行(圖3中未示出)中的單元。此外，RAM還將包括非激活字線和非激活比特線交叉點處的非激活單元，例如矩陣中耦合到圖3所示激活字線WL的另一行(圖3中未示出)中的單元。
對于激活比特線和非激活字線交叉點處的RAM非激活單元，如圖3所示單行中的非激活單元，信號BAR和WIR分別作用于這些單元的比特線和字線。
對于非激活比特線和非激活字線交叉點處的RAM非激活單元，信號BIR和WIR分別作用于這些單元的比特線和字線。
對于非激活比特線和激活字線交叉點處的RAM非激活單元，信號BIR和WAR分別作用于這些單元的比特線和字線。
從圖4可以看出，信號WIR為恒定電平信號，其在整個讀出周期中一直作用。信號BIR是脈沖，其在充電積分期間，即圖4中從B到D的期間，也就是開關(guān)SAS保持打開的期間作用于非激活單元22。在圖4所示例子中，信號BIR的持續(xù)時間大約為100μS，從讀出周期開始后30μS直到讀出周期結(jié)束前20μS。信號BIR在充電積分周期結(jié)束之前不久作用，在充電積分周期結(jié)束之后不久停止，在整個讀出周期中，非激活單元的比特線和字線之間的電壓是穩(wěn)定的。每種信號組合BAR-WIR、BIR-WAR和BIR-WIR都在整個充電積分周期中，在所有非激活單元的比特線和字線之間提供幅度為X的電壓，如圖4所示，該值X小于圖1所示電壓Vc，從而使所有這些單元在充電積分周期B到D期間保持非激活。
類似于信號BAR，信號BIR也是脈沖信號，它與作用于非激活單元22的比特線的脈沖信號BIR在相同時間和相同的周期內(nèi)作用于激活單元的比特線。但是，脈沖信號BAR極性與脈沖信號BIR相反。因為脈沖信號BIR和BAR在相同的時間和相同的周期內(nèi)作用，這意味著通常它們可以從公共信號源30提供，其中一個脈沖信號通過反向器，以提供兩個極性相反的脈沖信號。這有助于使讀出電路的信號源的電路要求最小化。
對于激活比特線BL和激活字線WL交叉點處的激活單元20，如圖3所示，脈沖信號BAR從信號源30作用到比特線，脈沖信號WAR從信號源24作用于字線。信號BAR是一個大約持續(xù)100μS的脈沖，其在整個充電積分周期中作用于激活單元20，即，至少在如圖4所示的周期B到D，開關(guān)SAS保持打開的周期中，作用于激活單元20。在圖4所示實例中，信號WAR的周期大約為50μS。
脈沖信號WAR幾乎在開關(guān)SAS打開后，實際上是在充電積分周期開始時，立即作用于激活單元20的字線。信號脈沖WAR的持續(xù)時間大約50μS，信號脈沖BAR在開關(guān)SAS打開之前出現(xiàn)在比特線BL上。因此，信號脈沖的組合WAR-BAR使得電壓Y在讀出周期中信號脈沖WAR的持續(xù)期間，作用于激活單元20，如圖4所示。電壓Y大于圖1所示電壓Vc，因此，足以激勵激活單元的鐵電電容器，并使該電容器改變極性狀態(tài)。因為信號WAR幾乎在充電積分周期開始的同時作用于激活單元，所以，鐵電電容器可以在充分長的時間內(nèi)被激勵，以保證電荷轉(zhuǎn)移能夠完成。在圖示例子中，脈沖信號WAR持續(xù)時間大約50μS，這樣可以在讀出周期中留下足夠的時間向使能電路14作用檢測使能脈沖SEN和操作開關(guān)SAS、BLS和BLD為下一周期作準備。但是，應(yīng)當認識到，盡管圖4示出具體的定時和脈沖周期，但這僅僅是示范性的，也可以采用更快的定時，從而實現(xiàn)更簡練的讀出周期。此外，也可以在充電積分器電路4中采用更快的放大器，和/或采用響應(yīng)時間更快的鐵電材料。
關(guān)于脈沖定時，檢測脈沖SEN在圖4中發(fā)生在信號脈沖WAR停止后不久的時間N。因為極性改變，總共有等于圖1所示電荷變化量Q‘0’-Q‘1’的電荷Q流入積分器電路14的電容器10。當電荷轉(zhuǎn)移完成，且充電積分器電路4輸出端子32處的電壓VOUT達到穩(wěn)態(tài)時，電壓VOUT由下式給出VOUT＝VOS-Q/Cfb其中，VOS是放大器8非反向輸入端的輸入偏移電壓，Cfb是反饋電容器10的值。如上所述，VOS可以保持到虛擬地電位，從而固有的比特線電容不占優(yōu)勢，因此，反饋電容器10的值Cfb可以很小。因此，可以用較小的Q值獲得輸出電壓VOUT中較大的擺動。充電積分器4的輸出端子32處發(fā)生的電壓VOUT的變化也示于圖4中。在充電積分周期開始時，電壓VOUT在虛擬地電位，從激活單元20流出，流入電容器10的電荷變化引起充電積分器輸出電壓變負。充電積分器輸出電壓變負的程度取決于激活單元20中的邏輯狀態(tài)為0還是1。如果為1，則電壓VOUT比為0時變得更負，因為在邏輯1的情況下，激活單元中發(fā)生極性狀態(tài)改變，從而有更多的電荷流入電容器10并對其充電。但是，在任一種情況下，在讀出周期中電荷轉(zhuǎn)移都較快結(jié)束，并且輸出電壓VOUT根據(jù)存儲的邏輯0或邏輯1采取兩個穩(wěn)態(tài)負值之一，如圖4所示。因此，檢測脈沖SEN可以在電荷轉(zhuǎn)移完成且輸出電壓VOUT采取該兩個穩(wěn)態(tài)值中的一個或另一個后的任何時間作用。因此，檢測脈沖也可以在信號脈沖WAR停止之前作用，如圖4中的定時M所示，這樣可以使總的讀出周期縮短。
輸出電壓VOUT在鑒別器6的比較器電路中與VREF比較，當輸出端32的電壓大于VREF時，使鑒別器6輸出端34的電壓為+V，當輸出端32的電壓小于VREF時，使鑒別器6輸出端34的電壓為-V。因此，當極性狀態(tài)改變時，即使從激活單元輸出較少量的電荷Q，也可以在輸出端34獲得很大的電壓擺動。
輸出端34的+V電壓送到AND電路形式的使能電路14的一個輸入端。該AND電路的另一個輸入端從電壓源SEN接收一個信號，該信號為短脈沖形式，在積分周期中發(fā)生。因此，在使能電路14的輸出端出現(xiàn)幅度為+V伏的脈沖，該脈沖通過緩沖器16饋送到輸出端18。
盡管圖3中示出AND電路，但AND功能也可以由其它電路配置提供，如NOR電路和反向器的組合。
從上述說明可以認識到，即使較少量的Q也可以在輸出端18提供激活單元極性改變的很明顯的指示，從而指示激活單元的邏輯狀態(tài)。此外，因為使用了基于電荷積分的讀出放大器，所以不會減小當極性變化時激活單元的字線與比特線之間的有效電壓，因此，可以采用較小的激勵電壓，從而使功耗降低。此外，因為比特線電壓實際上被鉗位到虛擬地，從而可以最大化極性改變時鐵電電容器上的電壓擺動，以及輸出電荷。此外，由于比特線電壓恒定，固有的比特線電容的影響得以減小，這意味著積分讀出放大器的反饋電容器的值可以很小，從而最大化電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益。
在圖3所示實施例中，充電積分器4的輸出電壓在充電積分時變負，因此，鑒別器電路6必須設(shè)計為能夠處理負輸入電壓。參考電壓VREF必須也是負電壓，這樣就會增加整個電路設(shè)計的復(fù)雜性。圖5示出充電積分器4的一種可選實施例，其中在充電積分器輸出端提供正電壓VOUT，從而保證總是向鑒別器電路6提供正電壓。這還使得參考電壓VREF也可以是正電壓，從而簡化整個電路的設(shè)計。
圖5所示充電積分器4包括放大器8和反饋電容器10。放大器8按照圖3所示實施例同樣的方式耦合到片電路字線和比特線。但是，在該實施例中，沒有提供復(fù)位開關(guān)SAS，而是使電容器10的每一端通過相應(yīng)的預(yù)充電開關(guān)VPRE1和VPRE2耦合到適當?shù)碾妷涸?，這使得充電積分器的輸出和鑒別器6的非反向輸入預(yù)充電至一個正電壓。通常，VPRE1和VPRE2可以分別耦合到虛擬地和讀出電路的正電源電壓VDD。
操作中，當圖5的充電積分器4在讀出周期開始之前復(fù)位時，開關(guān)VPRE1和VPRE2都閉合。電容器10的一端通過開關(guān)VPRE1連接到虛擬地，而電容器的另一端以及充電積分器的輸出端耦合到正電源電壓VDD。因此，輸出電壓在本實施例中被預(yù)充電至VDD。
圖6示出本實施例的讀出周期中，充電積分器輸出端的電壓VOUT。當開關(guān)VPRE1和VPRE2打開，且充電積分周期開始時，為電容器10充電的激活單元的電荷的變化引起充電積分器4的輸出電壓VOUT的負擺動。但是，因為電壓VOUT已經(jīng)被預(yù)充電至VDD，輸出電壓VDD在整個讀出周期中保持正，如圖6所示。該實施例被認為是特別有益的，因為它使得讀出電路可以只用正信號工作，從而顯著簡化整個電路的設(shè)計。
以上參考RAM陣列的單個比特線說明了本發(fā)明。但是應(yīng)當認識到，積分讀出放大器也可以連接到一組比特線，由多路復(fù)用電路選擇被控制的比特線。因此，本發(fā)明可以用于高容量非易失性存儲器，同時提供低功耗。因此，本發(fā)明特別適合用于靠內(nèi)置電壓源操作的便攜式輕型設(shè)備，如膝上型電腦。此外，集成讀出放大器還可以用于有源或無源矩陣鐵電RAM。
因為本發(fā)明提供很高的電荷-電壓轉(zhuǎn)換效率，所以也可以用于任何要求檢測很小的電荷變化的應(yīng)用中，如生物傳感器，包括指紋傳感器和DNA傳感器，其中，所述檢測是基于在電極上存儲電荷的，也可以用于電荷耦合裝置，如CCD照相機和顯微鏡。
以上說明僅僅用于說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以進行各種改動。例如，在所述實施例中，鑒別器包括一個比較器電路。但是，也可以使用一個反向器電路，其中，當從充電積分器電路接收到一個超過參考值的輸出信號時，使反向輸出在兩個電平間切換?？梢允狗聪蚱鬏敵鲈谒邮盏降男盘柍^參考值時從高電平變?yōu)榈碗娖剑蛳喾础?br> 權(quán)利要求
1.一種讀出電路，用于檢測電容器元件中存儲的電荷，包括一個充電積分器電路，用于從電容器元件接收電荷；鑒別器電路，串聯(lián)耦合到所述充電積分器電路，該鑒別器電路包括第一輸入端，用于從積分器電路接收輸出信號，和第二輸入端，用于接收參考電壓信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的讀出電路，其中，充電積分器電路包括一個放大器；耦合在該放大器輸入和輸出端子之間的反饋電容器，用于存儲從電容器元件接收的電荷；耦合到反饋電容器一端的第一開關(guān)裝置，用于將所述一端連接到第一電源；以及耦合到反饋電容器另一端的第二開關(guān)裝置，用于將所述另一端連接到另一電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的讀出電路，其中，鑒別器電路包括一個比較器，該比較器具有用于接收積分器電路的輸出的第一輸入端和用于接收參考電壓信號的第二輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的讀出電路，其中，鑒別器電路包括一個反向器電路，用于提供輸出信號，該輸出信號當積分器電路的輸出信號幅度超過參考電壓信號時，從第一電平變?yōu)椴煌诘谝浑娖降牡诙娖健?br> 5.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求的讀出電路，包括一個使能電路，用于在第一輸入端上從鑒別器電路接收一個輸出信號，并根據(jù)第二輸入端上接收到的另一個信號提供一個輸出信號，該輸出信號指示電容器元件的電荷。
6.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求的讀出電路，其中所述電容器元件包括一個鐵電電容器、一個鐵電選通晶體管、一個電荷耦合設(shè)備、或用于存儲電荷的電極。
7.一種生物傳感器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項的讀出電路，其中所述電容器元件包括一個用于存儲電荷的電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的生物傳感器，包括一個DNA傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的生物傳感器，包括一個指紋傳感器。
10.一種操作讀出電路的方法，該讀出電路包括一個充電積分器電路，串聯(lián)耦合到一個鑒別器電路，用于接收一個電容器元件陣列中的一個電容器元件中存儲的電荷，每個電容器元件都用來存儲電荷，該方法包括將第一脈沖信號作用于所述電容器元件和陣列中選定的其它電容器元件；將第二脈沖信號作用于所述電容器元件和陣列中選定的其它電容器元件；將第三和第四脈沖信號作用于陣列中選定的其它電容器元件，第一、第二、第三、和第四脈沖信號用于使所述電容器元件中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到充電積分器電路，但不使其它電容器元件中存儲的電荷轉(zhuǎn)移到充電積分器電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中第二和第三脈沖信號是從一個公共信號源提供的，其中一個信號通過反向器電路提供。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其中第一脈沖信號的持續(xù)時間比第二脈沖信號的持續(xù)時間短。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12任一項的方法，其中選擇電容器元件包括鐵電電容器元件，且第一和第二脈沖信號用于使所述電容器元件從第一極性狀態(tài)變?yōu)榈诙O性狀態(tài)，從而向充電積分器電路轉(zhuǎn)移電荷。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13任一項的方法，其中選擇充電積分器電路包括一個放大器，該放大器具有耦合在其輸入端和輸出端之間的反饋電容器，并提供將反饋電容器的一端耦合到第一電源的第一開關(guān)裝置和將反饋電容器的另一端耦合到另一電源的第二開關(guān)裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，選擇第一電源為虛擬地，選擇另一電源為正電源電壓，且其中所述方法包括閉合第一和第二開關(guān)裝置，從而在讀出周期開始前將充電積分器電路的輸出端子預(yù)充電至正電源電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15任一項的方法，其中選擇鑒別器電路包括一個比較器電路，該比較器電路具有用于接收充電積分器電路的輸出的第一輸入端和用于接收參考電壓信號的第二輸入端。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-16任一項的方法，其中選擇鑒別器電路包括一個反向器電路，用于提供輸出信號，該輸出信號當積分器電路的輸出信號幅度超過一個參考值時，從第一電平變?yōu)椴煌诘谝浑娖降牡诙娖健?br> 18.根據(jù)權(quán)利要求10-16任一項的方法，包括提供第一開關(guān)裝置，用于有選擇地將充電積分器電路的一個輸入端耦合到一個電容器元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，包括提供另一開關(guān)裝置，用于將第一開關(guān)裝置耦合到一個比特線驅(qū)動器電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求10-19任一項的方法，包括將鑒別器電路的輸出信號饋送到一個使能電路的第一輸入端，并給使能電路的第二輸入端提供另一個信號，從而根據(jù)該另一信號提供一個輸出信號，該輸出信號指示電容器元件上的電荷。
21.當權(quán)利要求20從屬于權(quán)利要求13時，根據(jù)該權(quán)利要求20的方法，包括在鐵電電容器上作用電壓脈沖的過程中，給使能電路提供所述另一個信號。
全文摘要
一種讀出電路，包括一個充電積分讀出放大器4，串聯(lián)耦合到鑒別器6。該讀出電路可以用于檢測包括鐵電RAM的隨機存取存儲器(RAM)系統(tǒng)中的單元的邏輯狀態(tài)。充電積分讀出放大器的使用可以克服RAM電路固有的比特線電容，并提供高效的電荷－電壓轉(zhuǎn)換。
文檔編號G01R31/28GK1471106SQ03145718
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者S·譚, S 譚 申請人:精工愛普生株式會社