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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
MTJ-Speicher und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Auslesen von in MTJ-Speichern gespeicherten Daten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Magnetische Dünnschicht-Direktzugriffsspeicher
(MRAMs: Magnetic Random Access Memories) können in einer Vielzahl von
Speicherzell-Ausführungsformen
hergestellt werden, einschließlich
einer magnetischen Tunnelübergangs-
(MTJ-: Magnetic Tunneling Junction) Zelle. Die MTJ-Zelle besteht im
Wesentlichen aus einem Paar magnetischer Schichten mit einer isolierenden
Schicht, die sandwichartig dazwischenliegt. Eine der magnetischen Schichten
hat einen festen, magnetischen Vektor und die andere magnetische
Schicht hat einen veränderbaren
magnetischen Vektor, der entweder mit dem festen magnetischem Vektor
oder ihm entgegengesetzt ausgerichtet ist. Wenn die magnetischen
Vektoren gleichsinnig ausgerichtet sind, ist der Widerstand der
MTJ-Zelle, d.h. der Widerstand bezüglich eines Stromflusses zwischen
den magnetischen Schichten, minimal und wenn die magnetischen Vektoren einander
entgegengesetzt oder fehlausgerichtet sind, ist der Widerstand der
MTJ-Zelle maximal.
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Daten werden in der MTJ-Zelle durch
Anlegen eines magnetischen Feldes an die MTJ-Zelle gespeichert,
das so ausgerichtet ist, dass der veränderbare magnetische Vektor
in eine ausgewählte
Orientierung bewegt wird. Im Allgemeinen kann die ausgerichtete
Orientierung mit einer logischen 1 oder 0 bezeichnet werden und
die fehlausgerichtete Orientierung ist das Gegenteil, d.h. eine
logische 0 oder 1. Gespeicherte Daten werden ausgelesen oder erfasst,
indem ein Strom von einer magnetischen Schicht zu der anderen durch
die MTJ-Zelle geschickt wird. Die durch die MTJ-Zelle laufende Strommenge
oder der Spannungsabfall über
der MTJ-Zelle wird
entsprechend der Orientierung des veränderbaren magnetischen Vektors
variieren. Zusätzliche
Informationen bezüglich
der Herstellung und des Betriebs von MTJ-Speicherzellen können in dem Patent Nr. 5,702,831
mit dem Titel "Multi-Layer
Magnetic Tunneling Junction Memory Cells" erteilt am 31. März 1989, gefunden werden.
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Im Stand der Technik wird das Auslesen
von in MTJ-Zellen
gespeicherten. Daten erreicht, indem ein Strom durch eine Serienschaltung
geschickt wird, welche einen Lastwiderstand und die MTJ-Zelle einschließt. Der
durch die MTJ-Zelle
laufende Strom wird von einem Transistor mit einer Vorspannung an der
Gateelektrode gesteuert und an einem Übergang zwischen dem Lastwiderstand
und dem stromsteuernden Transistor wird eine Ausgangsspannung erzielt.
Auch werden eine Bitleitung und eine Datenleitung für die MTJ-Zelle
(und andere MTJ-Zellen in dem Array) mittels des Transistors bei
einer gewünschten
Spannung geklemmt. Es gibt verschiedene größere Probleme mit dieser Art
von Datenauslesung, einschließlich
der Tatsache, dass der Lastwiderstand viel größer sein muss als der Widerstand der
MTJ-Zelle, was den Betrieb bei niedrigen Versorgungsspannungen sehr
schwierig macht. Auch hängt der
Betrieb der Schaltung von der durch den Transistor bereitgestellten
Klemmenspannung und der Vorspannung ab. Die Klemmenspannung ist
jedoch eine Funktion des Widerstandes der MTJ-Zelle, der Vorspannung
und des Lastwiderstandes von denen jede/jeder oder alle mit einem
speziellen Ausleseprozess, Variationen der Versorgungsspannung,
Temperaturänderungen, Änderungen
des Widerstandes der MTJ-Zelle etc. variieren können. Auch erfordern der große Lastwiderstand
und die übrigen
Komponenten bei dieser Schaltung nach dem Stand der Technik große Chipflächen, was
die Herstellung von Speicherarrays mit hoher Dichte verhindert.
Auch ist die Eingangsimpedanz aufgrund des Vorhandenseins des Lastwiderstandes
hoch.
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Entsprechend ist es höchst wünschenswert, eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Auslesen oder Erfassen von MTJ-Speicherzellen
zur Verfügung
zu stellen, welches diese Probleme überwindet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es wird Bezug genommen auf die Zeichnungen:
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer MTJ-Ausleseschaltung nach dem Stand der
Technik;
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2 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer MTJ-Ausleseschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer MTJ-Ausleseschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer MTJ-Ausleseschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer vollständigen Ausleseschaltung, welche
die MTJ-Ausleseschaltung
von 4 beinhaltet; und
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6 ist
ein detaillierteres schematisches Diagramm der vollständigen Ausleseschaltung
von 5.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Wir wenden uns nun 1 zu. Illustriert ist ein schematisches
Diagramm einer MTJ-Ausleseschaltung, mit 10 bezeichnet,
gemäß dem Stand
der Technik. Die Schaltung 10 umfasst eine Mehrzahl von
magnetischen Tunnelübergangs-Speicherzellen 11, 12,
etc. Wie im Stand der Technik wohlbekannt, enthält jede Zelle, 11, 12,
etc. eine MTJ-Vorrichtung, welche
als ein Widerstand RMTJ und ein Steuer- oder Aktivierungs-Transistor
dargestellt ist. Lediglich Zelle 11 der Mehrzahl von Speicherzellen
soll hier im Detail diskutiert werden, da der Betrieb aller Zellen ähnlich ist.
Ein Anschluss der Zelle 11 ist mit einer Stromrückführung verbunden,
wie etwa einer Schaltungsmasse oder Erde.
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Der andere Anschluss der Zelle 11 ist
mit einer Bitleitung 13 verbunden, welche mit einer oder mehreren
(nicht dargestellten) Speicherzellen in wohlbekannter Weise verbunden
ist. Die Drainelektrode eines Spaltendecodierungstransistors 14 ist
mit der Bitleitung 13 verbunden und die Gateelektrode ist mit
einem Spaltendecodierer verbunden, welcher zu einer Zeit eine Spalte
auswählt,
die ausgelesen werden soll. Die Sourceelektrode des Spaltendecodierungstransistors 14 und
alle anderen Spaltendecodierungstransistoren sind mit einer Datenleitung 15 verbunden.
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Die Datenleitung 15 ist
mit der Drainelektrode eines Transistors 16 verbunden,
dessen Gatelektrode mit der Vorspannung Vbias verbunden
ist. Die Sourceelektrode des Transistors 16 ist über einen Lastwiderstand 17 mit
einer Stromversorgung 18 verbunden. Die Sourceelektrode
des Transistors 16 ist auch mit einem Datenausgangsanschluss 19 verbunden.
Es sollte hier beachtet werden, dass der Lastwiderstand 17 viel
größer gewählt ist
als der Widerstand RMTJ, um einen Spannungsverstärkungsfaktor für die Schaltung
zu liefern. Die Stromquelle 18, liefert Bitleitungsstrom,
der aufgrund des Widerstandes RMTJ, abhängig von
dessen Zustand Rmin oder Rmax abgesenkt
wird. Der Transistor 16 klemmt die Datenleitung 15 und
die Bitleitungen 13 bei einer erwünschten Spannung, abhängig von
der Vorspannung Vbias. Der Transistor 16 sorgt für eine geringe
Eingangsimpedanz bei Betrieb im Strommodus, da die in den Transistor 16 von
der Datenleitung 15 her schauende Impedanz klein ist. Zusätzliche
Informationen bezüglich
der Konstruktion und des Betriebs von MTJ-Ausleseschaltungen dieses
Typs gemäß dem Stand
der Technik können
in dem US-Patent Nr. 5,793,697 gefunden werden.
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Bei diesem Typ von MTJ-Ausleseschaltung tauchen
verschiedene Probleme auf, welche einen stark störenden Effekt auf den Betrieb
der Speicherzelle erzeugen. Da der Lastwiderstand 17 und
die Speicherzelle 11 in dem Strompfad der Quelle 18 in Reihe
geschaltet sind, ändert
sich insbesondere die Spannung an den Anschlüssen 15 und 13 aufgrund der
hohen Eingangsimpedanz bei 15 um mehr als einen erwünschten
Wert, wenn sich der Widerstand RMTJ der
Speicherzelle 11 zwischen Rmin und
Rmax ändert
. Da diese Leitungen eine relativ hohe natürliche oder inhärente Kapazität haben,
erfordern große Schwankungen
in der Spannung relativ lange Zeiten (RC Zeitkonstante der Leitung)
und verlangsamen die Auslesezeiten erheblich.
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Außerdem wird die Klemmenspannung
(bereitgestellt von dem Transistor 16 und der an die Gateelektrode
angelegten Spannungen Vbias) mit dem Ausleseprozess,
der Energieversorgung (z.B. der Stromquelle 18 und der
Spannung Vbias) der Betriebstemperatur und dem Widerstand RMTJ der Zelle 11 variieren. Große Variationen
des Widerstandes RMTJ (d.h. ein großes Verhältnis zwischen
Rmin und Rmax) können die Schaltung so gut wie
nutzlos machen, da sich Spannungsänderungen über den Betriebsbereich der
Schaltung hinaus erstrecken können.
Solche großen
Variationen des Widerstandes RMTJ werden
den Strom in der Bitleitung 15 ändern und zu Variationen der
Ausgangsspannung führen, die
unerwünscht
sind. Da weiter der Lastwiderstand 17 im Allgemeinen als
Teil des integrierten Schaltkreises enthalten ist, wird ein sehr
großer
Widerstand eine große
Chipfläche
erfordern. Schließlich
ist der Betrieb des Speichers bei niedrigen Versorgungsspannungen
(z.B. 1,8 Volt) sehr schwierig, weil der Lastwiderstand 17 sehr
hoch sein muss.
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Um die oben beschriebenen Notlagen
zu überwinden,
wird ein Stromverstärker
zum Auslesen einer magnetischen Tunnelübergangs-Speicherzelle offenbart.
Wir wenden uns nun 2 zu.
Illustriert ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer MTJ-Ausleseschaltung 25 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Array 26 von MTJ-Speicherzellen 27, das in
Reihen und Spalten angeordnet ist, ist dargestellt. Eine Datenausleseleitung 28,
welche bei dieser Ausführungsform
eine Bitleitung ist, die eine Spalte der MTJ-Speicherzellen 27 in
wohlbekannter Weise miteinander verbindet, ist über einen Spaltendecodierungstransistor
mit einem mit 30 bezeichneten Stromverstärker verbunden.
Zum Zwecke dieser Beschreibung werden die Spaltendecodierungstransistoren 29 als
ein Teil der jeweiligen Datenausleseleitung 28, mit welcher
sie verbunden sind, angesehen, da sie einfach Schalter sind, die
enthalten sind, um eine spezielle Leitung auszuwählen. Da weiter die Spaltendecodierungstransistoren 29 im
Stand der Technik wohlbekannt und nicht Teil dieser Erfindung sind,
werden sie der Einfachheit halber in der folgenden Beschreibung
ausgelassen.
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Der Stromverstärker 30 umfasst einen
Transistor 32 (der beispielsweise ein Feldeffekttransistor, ein
HFET, ein Dünnschichttransistor
oder dergleichen sein kann) bei dem ein Stromanschluss (z.B. die
Source- oder Drainelektrode) mit der Datenausleseleitung 28 verbunden
ist und bei dem der andere Stromanschluss (z.B. die Drain- oder
Sourceelektrode) mit einer Stromquelle 33 verbunden ist.
Der Steueranschluss oder die Gateelektrode des Transistors 32 ist
mit dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers 35 verbunden.
Ein negativer Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 35 ist
angeschlossen, um eine negative Rück kopplung von der Datenausleseleitung 28 zu
empfangen und ein positiver Eingangsanschluss ist so angeschlossen,
dass ihm eine Vorspannung Vbias zugeführt wird. Es sollte beachtet
werden, dass der negative Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 35 eine
sehr hohe (im Wesentlichen unendliche) Eingangsimpedanz aufweist,
so dass ein kleiner oder kein Strom von der Datenausleseleitung 28 fließt. Bei
Betrieb vergleicht der Operationsverstärker 35 die Spannung
Vbl auf der Datenausleseleitung 28 mit
Vbias und klemmt mittels der negativen Rückkopplung
Vbl auf Vbias (da
der Operationsverstärker
35 im Wesentlichen wie ein Kurzschluss zwischen Vbl und
Vbias) aussieht) , was im Wesentlichen einen
Betrieb im Strommodus liefert. Der Stromverstärker 30 hat eine sehr
niedrige Eingangsimpedanz, was die Datenausleseleitung 28 von
der hohen Ausgangsimpedanz der Stromquelle 33 entkoppelt.
Die niedrige Eingangsimpedanz, kombiniert mit der Klemmung von Vbl, begrenzt die Spannungsschwankung der
Datenausleseleitung 28 und erzielt eine Hochgeschwindigkeitsauslesung
für MTJ-Arrays
sehr hoher Dichte. Der Stromverstärker 30 liefert und
unterhält
damit eine konstante Vorspannung über die MTJ-Speicherzelle 27,
unabhängig
von Betriebstemperaturen, Änderungen
der Versorgungsspannung und Prozessbedingungen. Auch sorgt der Stromverstärker für eine kleine
Schwankung der Spannung auf der Datenausleseleitung 28,
um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu gestatten. Man sollte hier
verstehen, dass der Ausdruck "Operationsverstärker" ein generischer
Ausdruck für
jegliche Schaltung ist, welche die beschriebene Betriebsweise liefert,
und nicht auf irgendeine spezielle Schaltung beschränkt ist.
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Es sollte hier beachtet werden, dass
die Stromquelle 33 einen Strom liefert, der gleich demjenigen
Strom ist, der von einer MTJ-Speicherzelle 27 benötigt wird,
um einen Spannungsabfall von Vbias über der
Zelle zu erzielen. Wenn der Widerstand RMTJ der
MTJ-Speicherzelle 27 minimal ist, wird der Stromverstärker 30 Vbias über RMTJ durch Erhöhen der Spannung an der Gateelektrode
des Transistors 32 aufrechterhalten und wenn RMTJ auf
ein Maximum geht, wird der Stromverstärker 30 die Spannung
an dem Gateelektrodenanschluss des Transistors 32 senken.
Die Spannung am Gateelektrodenanschluss des Transistors 32 ist
daher ein Anzeichen für
den Zustand der MTJ Zelle 27 (d.h. den Zustand von RMTJ)• Man
kann daher sehen, dass der Stromverstärker 30 drei Funktionen
erfüllt:
er klemmt die Spannung über
RMTJ (die MTJ-Speicherzelle) auf die erwünschte Vorspannung
(Vbias); er ermöglicht zum Zwecke einer Hochgeschwindigkeitsauslesung
und eines niedrigen Stromverbrauchs eine kleine Spannungsschwankung
auf der Datenausleseleitung; und er ist ein Strom/Spannungs-Wandler
(d.h. die Änderung
im Strom ist proportional zu der Änderung an dem Gateelektrodenanschluss
des Transistors 32).
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Wir wenden uns nun 3 zu. Illustriert ist ein vereinfachtes
schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer allgemein
mit 40 bezeichneten MTJ-Ausleseschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Schaltung 40 umfasst einen Stromverstärker 41,
welcher mittels einer Datenausleseleitung 43 mit wenigstens
einer MTJ-Speicherzelle
verbunden ist, wie allgemein oben beschrieben wurde. Bei dieser
Ausführungsform
ist die Datenausleseleitung 43 eine Bitleitung und umfasst einen
Spannungsdekodierungsschalter oder -transistor 44. Auch
eine Stromquelle 45 ist mit der Datenausleseleitung 43 über den
Stromverstärker 41,
wie oben beschrieben, verbunden. Ein Lastwiderstand 47 ist
mit einem Übergang 48 zwischen
der Stromquelle 45 und dem Stromverstärker 41 verbunden. Der
Lastwiderstand 47 ist viel größer als RMTJ der MTJ-Speicherzelle 42.
Ein Aktivierungsschalter 49, der hier als ein Transistor
illustriert ist, dessen Gateelektrode angeschlossen ist, um ein "Enabel"-Signal (Aktivierungssignal)
zu empfangen, verbindet den Lastwiderstand 47 mit einer
Stromrückführung wie etwa
Erde. Ein Ausgangssignal V0 ist an einem
Anschluss 50 verfügbar,
welcher mit dem Übergang 48 verbunden
ist.
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Die Schaltung 40 hat wenigstens
zwei Vorteile gegenüber
der MTJ-Ausleseschaltung 25 von 2. Da der Widerstandswert RL des
Lastwiderstandes 47 viel größer ist als der Widerstandswert RMTJ der MTJ-Speicherzelle 42 werden
kleine Änderungen
des Stromes Ibl durch die Datenausleseleitung 43 aufgrund
von Änderungen
im Widerstandswert RMTJ (d.h. von Rmin nach Rmax oder
umgekehrt) durch den Lastwiderstand 47 verstärkt. Dieses
Merkmal wird besser verstanden, indem man beachtet, dass sich der
Strom I von der Stromquelle 45 am Übergang 48 aufteilt,
wobei ein Teil des Stromes, Ibl, durch die
Datenausleseleitung 43 fließt und der übrige Strom IL durch
den Lastwiderstand 47 fließt. V0 = (I – Ibl) RL = (I – Vbias/RMTJ) RL = IL RL für RMTJ = Rmin – – IL = ILmin RMTJ = Rmax – – IL = ILmax
ΔIL = ILmax – ILmin – – ΔV0 = ΔILRL
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Daher wird ΔV0 umso
größer sein,
je größer RL ist. Ein zweiter Vorteil ist, dass V0 eine lineare Funktion von Vbias ist,
da Vbias eine lineare Funktion von I ist, wie oben erläutert.
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Wir wenden uns nun 4 zu. Illustriert ist ein vereinfachtes
schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer MTJ-Ausleseschaltung,
allgemein mit 60 bezeichnet, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Schaltung 60 umfasst einen Stromverstärker 61,
der über
eine Datenausleseleitung 63 mit wenigstens einer MTJ-Speicherzelle 62 verbunden
ist, wie allgemein oben beschrieben. Der Stromverstärker 61 umfasst
einen Transistor 62 und einen Operationsverstärker 66,
der wie in Verbindung mit dem Stromverstärker 30 von 2 beschrieben, angeschlossen
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Ausleseleitung 63 eine Bitleitung und umfasst einen
Spaltendecodierungsschalter oder -transistor 64. Auch ist
eine Stromquelle 65 über
den Stromverstärker 61 mit
der Datenausleseleitung 63 verbunden, wie oben beschrieben.
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Ein zweiter Stromverstärker 67 ist
mit einem Übergang 68 zwischen
der Stromquelle 65 und dem Stromverstärker 61 verbunden,
Der Stromverstärker 67 ist
im Wesentlichen derselbe wie der Stromverstärker 61 und umfasst
einen Transistor 70 bei dem ein erster Stromanschluss (in
diesem Ausführungsbeispiel
der Drainelektroden-Anschluss) mit dem Übergang 68 verbunden
ist und bei dem ein zweiter Stromanschluss (der Sourceelektroden-Anschluss) mit
einer Stromrückführung, wie
etwa Erde, verbunden ist. Der Stromverstärker 67 umfasst weiter
einen Operationsverstärker 71, bei
dem ein erster Eingangsanschluss mit dem Übergang 68 für eine negative
Rückkopplung
verbunden ist, bei dem ein zweiter Eingangsanschluss angeschlossen
ist, um eine zweite Vorspannung Vbias2 zu
empfangen und bei dem ein Ausgangsanschluss mit der Gateelektrode
des Transistors 70 verbunden ist. Ein Ausgangssignal V0 ist an einem Anschluss 72 verfügbar, der
mit der Gateelektrode des Transistors 70 verbunden ist.
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Die MTJ-Ausleseschaltung 60 weist
alle Vorteile der MTJ-Ausleseschaltungen 40 und 25 zzgl.
einer zusätzlicher
Vorteile auf. Insbesondere klemmt der Stromverstärker 61 die Datenausleseleitung 63 auf
Vbias1 (die Vorspannung an dem Operationsverstärker des
Stromverstärkers 61).
Auf diese Weise werden die absoluten Änderungen von RMTJ den Strom
Ib1 in der Datenausleseleitung 63 nicht
verändern
und die Ausleseoperation wird unempfindlich RMTJ-Änderungen
sein, solange der RMTJ-Variationsbereich
innerhalb des linearen Bereiches des Stromverstärkers 61 liegt. Der
Transistor 62 des Stromverstärkers 61 ist ein Source-Folger,
d.h. die Impedanz, die von der Datenausleseleitung 63 her
in den Sourceelektroden-Anschluss des Transistors 62 blickt,
ist niedrig. Dies eliminiert Spannungsschwankungen der Datenausleseleitung 63 in
großem
Ausmaß und macht
einen Betrieb im Strommodus möglich.
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Zusätzlich zu den obigen Vorteilen
bietet der zweite Stromverstärker 67 die
folgenden Funktionen/Vorteile. Der Transistor 62 entkoppelt
die Datenausleseleitung 63 (Bitleitung und Datenleitung
bei diesem Ausführungsbeispiel)
von der hohen Impedanz der Stromquelle 65 und der Ausgangsimpedanz des
Transistors 70, was zu einer hoch sensitiven und hohen
Impedanz beim Übergang 68 führt. Der
Stromver stärker 67 arbeitet
als eine sekundäre
Klemmenschaltung und ist verantwortlich für das Erfassen von Stromänderungen
(als Stromsensor 61) derselben MTJ-Speicherzelle 62 und
für das
Bereitstellen einer Ausgabe V0 am Ausgangsanschluss 72.
Der Stromverstärker 67 klemmt
den Übergang 68 auf
einer vorbestimmten Spannung, so dass der Transistor 62 und
die Stromquelle 65, was bei diesem Ausführungsbeispiel ein MOS-FET-Strom ist, unter
allen Prozess-, Versorgungs- und Temperaturbedingungen zzgl. aller
Variationen der MTJ-Speicherzelle 62 innerhalb
der Linearitätsgrenzen
des Operationsverstärkers 71 in
tiefer Sättigung
betrieben und gehalten werden.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil, der
durch den zweiten Stromverstärker 67 bereitgestellt
wird, ist, dass der Stromverstärker 67,
wie der Widerstand 47 in der Ausleseschaltung 40 von 3, die Ausgangsspannung
auf Grundlage der durch Änderungen
in RMTJ der MTJ-Speicherzelle 62 verursachten
Stromänderungen
die Ausgangsspannung anhebt. Da der Transistor 70 in tiefer
Sättigung
arbeitet, ist der Widerstandswert zwischen dem Drainelektroden-Anschluss
und dem Sourceelektroden-Anschluss (Rds) sehr
viel größer als
RMTJ Kleine Stromänderungen in der Datenausleseleitung 63 (Ibl) aufgrund von Änderungen des Widerstandswertes
RMTJ (von Rmin nach Rmax und umgekehrt) werden durch den Transistor 70 verstärkt. V68 = (I – Ibl) rds = (I – Vbias1/RMTJ) rds I – Vbias1/RMTJ = Ids V68 =
Idsrds
wobei:
rds und Ids gleich
dem Widerstandswert bzw. dem Strom zwischen der Drainelektrode und
der Sourceelektrode des Transistors 70 sind.
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Man sollte beachten, dass die Spannung
am Übergang 68 (V68) auf Vbias2 geklemmt
wird, so dass die Spannung (Vgs) zwischen
Gateelektrode und Sourceelektrode des Transistors 70 variieren
muss, um V68 geklemmt zu halten. Da die Änderung
von V68 (aufgrund von Änderungen
in RMTJ) groß ist, werden Vgs-Änderungen
ebenfalls groß sein. ΔV68 = (Ids(max) – Ids(min)) rds = [(I – Vbias1/Rmax) – (I – Vbias1/Rmin)]rds
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ΔV68 wird daher umso größer sein, je größer rds ist.
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Besonders wichtig ist, dass der Stromverstärker 67 so
angeschlossen werden kann, dass er eine Offset-freie Ausgabe liefert.
Wenn, wie in 5 illustriert,
zwei MTJ-Ausleseschaltungen, ähnlich zu Schaltung 60,
so angeschlossen werden, dass sie differenziell arbeiten, beeinflusst
kein eingangsbedingter Offset am Eingang des Operationsverstärkers 71 die
Ausgabe V0. Es wird zusätzlich Bezug genommen auf 5. Illustriert ist ein vereinfachtes
schematisches Diagramm einer differenziellen Ausleseschaltung 75,
welche zwei MTJ-Ausleseschaltungen 76 und 77 umfasst,
die ähnlich
der MTJ-Ausleseschaltung 60 von 4 sind und die in einer differenziellen
Weise angeschlossen sind. Bei der differenziellen Ausleseschaltung 75 wird
die Schaltung 76 angeschlossen, um den Strom einer Referenz-MTJ-Zelle 78 (welche
im Allgemeinen eine Mehrzahl von Zellen umfassen wird) zu erfassen
und Schaltung 77 ist angeschlossen, um den Strom einer
Speicher-MTJ-Zelle 79 (die im Allgemeinen eine ähnliche Mehrzahl
von Zellen umfassen wird) zu erfassen.
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Die Schaltung 76 umfasst
eine MTJ-Referenzzelle 78, die über eine Datenleitung 81 mit
einem Stromverstärker 82 verbunden
ist. Der Stromverstärker 82 ist
mit einem Übergang 83 verbunden,
der auch mit einer Stromquelle 84 und einem zweiten Stromverstärker 85 verbunden
ist. Eine Referenzausgangsspannung (VOR)
ist an der Gateelektrode des Transistors 86 des Stromverstärkers 85 verfügbar. Auf ähnliche
Weise umfasst die Schaltung 77 eine MTJ-Datenspeicherzelle 90, die über eine
Datenleitung 91 mit einem Stromverstärker 92 verbunden
ist. Der Stromverstärker 92 ist
mit einem Übergang 93 verbunden,
der auch mit einer Stromquelle 94 und einem zweiten Stromverstärker 95 verbunden ist.
Eine Datenausgangsspannung (VOD) ist an
der Gateelektrode des Transistors 96 des Stromverstärkers 95 verfügbar. Beide
Schaltungen 76 und 77 sind angeschlossen und arbeiten
wie in Verbindung mit Schaltung 60 von 4 beschrieben. Die Referenzausgangspannung
V0R und die Datenausgangsspannung V0D sind an separate Eingänge des Differenzverstärkers 100 angeschlossen,
welcher ein Ausgangssignal V0D–V0R liefert .
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Wie oben dargelegt ist ein Hauptvorteil
der differenziellen Ausleseschaltung 75, dass sie eine Offset-freie
Ausgabe V0D–V0R liefert.
Dies kann unter Bezugnahme auf das Folgende besser verstanden werden.
Bei der differenziellen Ausleseschaltung 75 arbeiten bei
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beide Transistoren 86 und 96 in Sättigung,
so dass der Spannungsabfall über
jedem Transistor 86 und 96 ungefähr gleich
ist (und hier im Folgenden Vt bezeichnet
wird) und das Beta jedes Transistors 86 und 96 ungefähr gleich
ist (und hier im Folgenden mit β bezeichnet
wird). Der Strom, der in dem Transistor 86 (I86)
und in dem Transistor (I96) fließt, ist
wie folgt: I86 = β/2 (V0R–Vt) 2 – – – I96 = β/2
(V0D–Vt)2 V0R = (2I86/β)1/2 + Vt – – – V0D = (2I96/β)1/2 + Vt V0D–V0R =
2I96/β)1/2 + Vt – (2I86/β)1/2 – Vt V0D–V0R = (2I96/β)1/2 – (2I86/β)1/2
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Man kann daher sehen, dass das Ausgangssignal
V0D–V0R aus dem Differenzverstärker 100 unabhängig ist
von der Spannung über
den Drain-Source-Strecken der Transistoren 86 und 96,
was bedeutet, dass das Ausgangssignal V0D–V0R von Offset-Spannungen in den Operationsverstärkern in
den Stromverstärkern 85 und 95 nicht
beeinflusst wird, solange die Transistoren 86 und 96 in
Sättigung
sind.
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Wir wenden uns nun 6 zu. Illustriert ist ein detaillierteres
schematisches Diagramm einer vollständigen Ausleseschaltung 110,
die in der in Verbindung mit der differenziellen Ausleseschaltung 75 von 5 erläuterten Weise aufgebaut ist.
Die Schaltung 110 umfasst ein Array von MTJ-Speicherzellen,
die in Reihen und Spalten in wohlbekannter Weise angeordnet sind.
Der Bequemlichkeit dieser Beschreibung halber sind nur 5 Spalten 112 bis 116 illustriert
und es ist nur ein kleiner Teil dieser Spalten ge zeigt. Jeweils
eine der Spalten 112 oder 113 ist über ein
Paar von Spaltendecodierungstransistoren 120 mit einer
MTJ-Ausleseschaltung 121 (in
Aufbau und Betrieb ähnlich
der MTJ-Ausleseschaltung 60 von 4) verbunden. Die Spalte 114 ist
als eine Referenzspalte über
einen Transistor 122 mit einer MTJ-Referenzschaltung 123 ebenfalls
in Aufbau und Betrieb ähnlich
der MTJ-Ausleseschaltung 60 von 4) verbunden. Jeweils eine der Spalten 115 oder 116 ist über ein
Paar von Spaltendecodierungstransistoren 124 mit einer
MTJ-Ausleseschaltung 125 (in Aufbau und Betrieb ähnlich der
MTJ-Ausleseschaltung 60 von 4)
verbunden.
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Die Spalten 112 bis 116 sind
differenziell verbunden, indem sie ein Paar von Differenzverstärkern 130 und 131 speisen.
Das Ausgangssignal der MTJ-Ausleseschaltung 121 wird in
den positiven Eingang des Differenzverstärkers 130 eingespeist
und das Referenzsignal von der MTJ-Referenzschaltung 123 wird
in den negativen Eingang eingespeist. Auf ähnliche Weise wird das Ausgangssignal
der MTJ-Ausleseschaltung 121 in
den positiven Eingang des Differenzverstärkers 131 eingespeist
und das Referenzsignal aus der MTJ-Referenzschaltung 123 wird
in den negativen Eingang eingespeist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
wird der Wert der Vorspannung, die an den ersten Operationsverstärker in der
MTJ-Referenzspannung 123 angelegt wird, so gewählt, dass
die Spannung des Referenzsignals aus der MTJ-Referenzschaltung 123 in etwa
in der Mitte zwischen der Spannung des Ausgangssignals der MTJ-Ausleseschaltung 121 und
der Spannung des Ausgangssignals der MTJ-Ausleseschaltung 125 positioniert
wird. Aus all den oben erläuterten
Gründen
werden die Ausgangsspannungen dieses Verhältnis unter allen Prozess-,
Versorgungs-, Temperatur- und
MTJ-Widerstands-Bedingungen einhalten.
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Es wurde daher ein neuer und verbesserter Stromverstärker offenbart
und beschrieben, welcher den Betrieb und die Zuverlässigkeit
von MTJ-Ausleseschaltungen wesentlich verbessert. Wegen des neuen
und verbesserten Stromverstärkers
sind der Schaltungsbetrieb und die Ausgangssignale unabhängig von
allen Prozess-, Versorgungs-, Temperatur- und MTJ-Widerstands-Bedingungen.
Wegen des neuen und verbesserten Stromverstärkers werden Spannungsschwankungen
auf den Datenleitungen oder Bitleitungen praktisch vollständig eliminiert,
so dass die Geschwindigkeit des Auslesevorgangs wesentlich erhöht wird.
Der neue und verbesserte Stromverstärker arbeitet als ein Strom/Spannungs-Wandler
um den Betrieb zu verbessern und die Spannung wird verstärkt, um
die Auslesecharakteristiken zu verbessern.
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Obgleich ich spezielle Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben habe, kommen dem
Fachmann weitere Modifikationen und Verbesserungen in den Sinn.
Ich möchte
daher, dass verstanden wird, dass diese Erfindung nicht auf die
speziellen, gezeigten Formen beschränkt ist und ich beabsichtige
in den beigefügten
Ansprüchen alle
Modifikationen abzudecken, die sich nicht von dem Bereich dieser
Erfindung entfernen.