SRAM芯片的设计与测试

　　SRAM 被广泛应用于计算机、手机、数码相机、汽车电子和医疗设备等电子产品中”，其快速存取和不需要周期刷新等特点对提高系统的可靠性、改普系统性能具有至关重要的作用。根据国际半导体技术蓝图（ITRS）报告，在MPU 产品和高性能ASIC占芯片面积的比例达到50%以上，且随着集成电路工艺技术的进步和集成度的提高，比例不断增大。现代数字集成电路中的SRAM 设计都采用CAD 工具，根据设计参数自动生成，设计者的自主性较小，对功耗、版图面积的优化较为困难，尤其针对一些特定应用时，半定制的设计方法存在明显的不足。本文采用全定制方法，设计了一款8x8 bit SRAM，主要应用于传感器、测量设备等数据存储量少、功耗和成本低的设备中。

　　2SRAM 的整体结构

　　SRAM 主要由存储阵列和外围电路构成，本文设计的SRAM 结构如错误！ 未找到引用源。所示。其中，存储阵列是SRAM 的存储核心，外围电路主要包括地址译码器、灵敏放大电路、预充电路、多路选择器和控制电路。通常情况下，存储单元排列成方阵，行译码电路和列译码电路用于在读或写操作之前定位存储单元。灵敏放大电路用于读出存储单元数据时将其电压放大，加速读操作。控制电路中使用时钟信号和）↑选信号共同控制SRAM 的读写操作。

　　

　　各电路模块的设计

　　存储单元

　　SRAM 的存储单元使用传统6 管单元，如图2所示。该单元由两个交叉耦合的反相器连接到两个NMOS 存取构成。由节点Q 和节点QB 共同存僻数据，其中节点QB 为节点Q 的反相。

　　

　　图2 6管SRAM 单元电路图

　　使用Hspice 仿真该单元的读写过程，可得存储单元的读延迟约为22.55 ps，写延迟约为49.03 PS。仿真得到该单元静态噪声容限（SNM）的蝶形图如图3 所示，SNM 约为1.03 V。

　　

　　图3

　　译码电路

　　SRAM 存储器能够基于地址译码器随机存取数据。译码器可以在读写操作开始之前确定存储单元，减少封装管脚数，从而减小外围电路的而积和功耗。通过译码电路，可以用M 个地址来表示2￥个存储单元，如图4 所示。

　　

　　灵敏放大器

　　灵敏放大器（Sense Amplifier，SA）的作用是放大位于位线与输出缓冲单元之间，可以放大两信号，根位线上微小的电位差，输到下一级电路。本文采用锁存型灵敏放大器，它在速度、工艺敏感度和良品率等方面表现得比较优秀，如图5 庐信号控制两个PMOS 晶体管M6 和M7示。

　　S en s e的导通状态，实现数据的读出控制，同时也起到隰离保护位线的作用。对于晶体管M5，M6，M7，羔要增加其宽度来减小由此引起的延迟，提高灵敏放大器的速度。

　　

　　预充电路

　　本设计使用较为简单的预充电路，如图6 所示。该电路由两个弱PMOS 管组成，棚极接地。除了读和写过程，该预充电路可以使位线BL 和BLB处于较弱的高电平状态。

　　多路选择器

　　多路选择器（mux）也称为数据选择器，连接在位线BL 和BLB 上，在写操作过程中，两个多路选择器分别控制两根位线数据的写入。图7（a）为连接到BL 的多路选择器，图7（b）为连接到BLB 的多路选择器。只有写使能信号W _EN 为高电平时，数据D才能传输到位线上，由此来控制数据的写入。

　　

　　整体仿真与版图设计

　　SRAM 的电路仿真

　　由于本设计主要应用于传感器、测量设备等数据存储量少、功耗和成本低的设备中，所以单端口SRAM 已经能够满足设计要求。将SRAM 单元排列成8X8 的阵列，连接到外围电路，通过时钟信号和片选信号共同控制读写使能信号，最终得到总体的SRAM 电路图。为了保证SRAM 电路功能和性能，采用测试向量进行仿真，测试向量及仿真结果如表1所示。

　　

　　时钟频率为20 MHZ 时，遍历OOO 到111所有地址（即可遍历所有存储单元），输入测试向量。图8 所示为写入的数据D0~D7，该波形同表1所示的测试向量对应。数据写入后，读取写入的数据，读出的数据如图9 中的R0~R7 所示。对比发现，在时钟频率为20 MHZ 时，SRAM 能够较好地完成数据的写入和读出，逻辑功能无误。此外，可以得读延迟约为6ns。

　　

　　SRAM 的版图设计

　　SRAM 版图通过全定制设计方法实现，面积约为（0.299x0.275 ）mm2。版图通过了DRC，ERC，LVS等物理验证和后仿真时序验证，最后导出GDSI 数据文件，交付工艺线流片生产。流片后显微照片如图10 所示。

　　

　　芯片测试

　　为完成SRAM 芯片的测试，需要设计测试电路板。测试电路板主要提供测试接口和电源。芯片的控制信号和数据信号由红色飓风II-Xilinx FPGA 开发板提供，使用ISE13.2 软件建立测试工程，编写Verilog 测试程序（主要包括按照时序提供分频后的测试时钟、数据信号和控制信号），通过JTAG 下载到FPGA 的PROM 中，重新上电进行测试，通过RIGOL DS1102CA 双通道示波器捕捉信号，硬件测试平台如图11所示。

　　

　　将示波器的通道1连接到写使能信号，通道2连接到数据端D7。如图12 所示，上方的波形为通道1接收的数据，下而的波形为通道2接收的数据。设计输入向量测试，当地址为OOO 时，将片选端CS置为低电平，图12 中，A区WT=*0”，RD=“1“，RD= “0”，读出写入数据 为“0”; B区WT=“1”，数据为“0”; C 区WT=“0”，RD=“1”，写入数据为“1”D 区WT-“1”，RD-“1”，为了更好地观察读出“1”时端口的电平变化，该段不进行读写，在输出端口上加弱的低电平信号; E 区WT=“1”，RD= “0”，读出数据为“1”，可明显地看到读出数据“1”的过程。从图中可以看到数据“0”和“1”被成功地写入和读出。

　　

　　为验证实际的芯片是否可以达到设计指标，参考仿真方法，输入如表1中的测试向量，以D7为例，写入10100011后读出SRAM 中的数据，波形如图13 所示。遍历OOO到111所有地址，写入并读出数据，验证每个数据端是否能够正常工作，结果显示每个数据端口功能正确。

　　

　　存取时间也是SRAM 的一个重要参数，它可以表示存储器的工作速度，图14 为测量读“1”时的存取时间。测量得到，存取时间=299.4 ns- 293.2测量存取时间时，不同的数据端口会有ns=6.2 ns。较小差别，这与实际芯片制造和不可避免的测量误差均有关。

　　

　　测试可知： 当电源电压为3.3MHZ。工作时，测得电作正常，工作频率可达20源上的最大电流约为1.8545由此可得功耗丝mA，为6.11985mW。

　　总结

　　本文基于Chartered 0.35EEPROM CMOSum工艺，采用全定制方法设计了一款8x8 bit SRAM 芯片。给出该SRAM 的整体结构，并分别介绍了各外围电路模块的设计。完成整体电路仿真和全定制版图设计，最后流片。芯片封装后，搭建测试平台进行测试。测试结果表明，在时钟频率为20 MHZ 条件下，芯片功能正常，性能达到设计要求，存　时间约6.2 ns，功耗约6.12mW。