自旋转移力矩磁随机存储器（STT-MRAM，SpinTransferTorqueMRAM）是以磁性隧道结（MTJ，MagneticTunnelJunction）为存储介质，以自旋转移矩效应（STT）为编写手段的非易失性存储技术。因为具有低功耗、高性能、高集成度等优势，STT-MRAM被认为是最有潜力取代SRAM、DRAM、Flash等传统存储技术的新型存储技术之一。然而由于STT-MTJ两个状态间的电阻差异小且状态切换具有随机性，STT-MRAM仍然面临读错误和写错误等可靠性问题。基于现有研究，本文选择通过优化电路设计来实现STT-MRAM可靠性改善，并将研究工作总结为以下四个方面：　　1.基于HSPICE搭建针对STT-MRAM可靠性问题分析的存储器电路模型。为支持STT-MRAM可靠性问题的量化分析，本文首先对影响STT-MRAM可靠性的STT-MTJ电特性进行了分析，建立了基于隧穿磁阻效应（TMR，TunnelingMagneto-resistance）、STT效应和热扰动效应的HSPICE模型；随后本文参考传统片上存储器的电路设计，基于STT-MTJ的HSPICE模型与40nm的CMOS工艺建立了STT-MRAM的存储器电路模型。　　2.对存储单元的可靠性问题进行研究并提出优化设计。为优化存储单元的可靠性，本文通过分析典型存储单元（常规1T-1MTJ结构、优化写操作的2T-1MTJ结构、优化读操作的2T-2MTJ结构）得到影响STT-MRAM读写可靠性问题的因素，即单端读结构和常规访问管的使用。随后本文提出将差分读型存储单元2T-2MTJ与具有低导通电阻的动态阈值NMOS晶体管（DTNMOS，DynamicThresholdNMOS）结合，从而实现高读写可靠性的存储单元设计，2DT-2MTJ。实验证明，2DT-2MTJ型存储单元除具有与2T-2MTJ相当的读操作可靠性和保持状态稳定性外，还将写错误率降低了12.59%。　　3.对敏感放大器的可靠性问题进行研究并提出优化设计。为提高敏感放大器的可靠性，本文通过分析基于预充的敏感放大器（PCSA，Pre-ChargeSenseAmplifier）得到影响STT-MRAM读可靠性问题的因素，即PVT变量造成检测分支的电荷失配和电阻失配。随后本文提出消除节点的电势不确定性并将读使能控制管从采样节点与逻辑反馈节点之间移除，从而实现具有高PVT变量抗性的基于预采样的敏感放大器（PSSA，Pre-SamplesenseAmplifier）。实验证明，PSSA在采用具有高读可靠性的2T-2MTJ型存储单元的基础上，将读错误率进一步降低了23.5%。　　4.验证了2DT-2MTJ型存储单元与PSSA的STT-MRAM的优化效果。为验证论文提出的优化设计，本文利用256×64b的STT-MRAM存储电路模型，对比分析了传统设计（以2T-2MTJ为存储单元，以PCSA为敏感放大器）与优化设计（以2DT-2MTJ为存储单元，以PSSA为敏感放大器）的读写操作。实验证明优化设计功能正确，且相对于传统设计将写错误率降低13.6%，读错误率降低86.7%。