Основные классификационные параметры ЗУ

Параметр	Обозначение	Определение
Информационная емкость	N	Число бит памяти в накопителе ЗУ
Число слов в ЗУ	п	Число адресов слов в накопителе ЗУ
Разрядность	т	Число разрядов в накопителе ЗУ
Коэффициент разветвления по выходу		Число единичных нагрузок (входов других ИМС), которые можно одновременно подключить к выходу ЗУ
Число циклов перепрограм­мирования	NCY	Число циклов запись-стирание, при котором сохраняется работоспособность ЗУ
Потребляемая мощность		Потребляемая ЗУ мощность в установленном режиме работы
Потребляемая мощность в режиме хранения		Мощность, потребляемая ЗУ при хранении информации в режиме невыбора
Время хранения информации		Интервал времени, в течение которого ЗУ в заданном режиме сохраняет информацию

Таблица 17.2

Статические параметры ЗУ

Параметр	Обозначение	Определение
Напряжение питания		Напряжение источника питания ЗУ
Ток потребления		Ток, потребляемый ЗУ от источника питания в заданном режиме
Напряжение питания в режиме хранения		Напряжение питания ЗУ в режиме хранения информации
Ток потребления в режиме хранения		Ток, потребляемый ЗУ в режиме хранения информации
Напряжение логической «1»		Напряжение сигнала на входе или на выходе, соответствующее логической единице
Напряжение логического «0»		Напряжение сигнала на входе или на выходе, соответствующее логическому нулю

При использовании такого накопителя приходится решать две задачи:

• выбор конкретной ячейки накопителя, в которую будет записана или из
которой будет считана информация;

• что нужно сделать — записать или прочитать информацию в ячейке.
Первая задача решается с помощью адресации всех ячеек накопителя. Вторая

задача решается переводом ячейки памяти в режим записи или считывания по сигналу на входе схемы управления.

Накопитель или матрица памяти состоит из п строк. В состав каждой строки входят m запоминающих ячеек, образующих m-разрядное слово. Информацион­ная емкость накопителя равна N=nm, где л — число строк (или слов), т — число столбцов (или разрядов). Соответствующие шины в накопителе управляются от дешифраторов строк (X) истолбцов (Y), на входы которых поступают адресные сигналы ...a_n, При записи и считывании осуществляется обращение (выборка) к одной или нескольким запоминающим ячейкам одновременно. Дешифраторы строк и столбцов выполняют выбор требуемых ячеек памяти с помощью адресных сигналов ... и Y₀...Y_m.

Такая матрица запоминающих ячеек (ЗЯ) может работать в двух режимах: пословном и двухкоординатном. Структура пословной матрицы приведена на рис. 17.2а. Как видно из схемы, адресные шины Х₀... электрически связаны с каждой ЗЯ одного слова, в то время как рязрядные шины У₀... Y_m имеют связь с ЗЯ одноименного разряда всех слов. При наличии в адресной шине , сигнала выбора i-го слова, соответствующего высокому уровню, состояние каждой ячейки в этом слове может быть считано по разрядным шинам У₀... Y_m. Если необходимо записать информацию по выбранному адресу X_i то на разрядные шины У₀…Y_m подаются соответствующие электрические сигналы, которые подводятся ко всем ЗЯ i-й строки (слова).

При работе матрицы ЗЯ в двухкоординатном режиме с помощью шин строк и столбцов выбирается любая ячейка матрицы. В этом случае разрядная шина Р, которая является общей для всех ЗЯ, используется как для записи, так и для счи­тывания информации в адресованных ЗЯ.

Простейшей ЗЯ является схема RS-триггера, построенная на двух многоэмиттерных биполярных транзисторах VTI и VT2, изображенная на рис. 17.3 а. Пер­вые эмиттеры обоих транзисторов соединены с адресной шиной потенциал которой в установившемся состоянии должен быть самым низким. Вторые эмиттеры этих транзисторов присоединены к разрядным шинам и .На раз­рядной шине установлено опорное напряжение , а на шину подается на­пряжение . Режим работы схемы зависит от соотношения между напряжениями
, и .

В режиме хранения информации выполняется условие . В этом случае схема находится в одном из устойчивых состояний, при котором открытым может быть транзистор VT2 или VT1. Ток протекает по первому эмиттеру откры­того транзистора, а вторые эмиттеры обесточены. Например, если в триггер запи­сана логическая 1, то транзистор VT2 открыт, а транзистор VT1 закрыт. В этом случае за логическую единицу принимается наличие тока в транзисторе VT2.

В режиме считывания с помощью адресного сигнала , на шине устанавливается напряжение . Если в триггер записана логическая 1, то ток открытого транзистора VT1 потечет в разрядную шину . Наличие тока в разрядной шине соответствует считыванию 1, а его отсутствие соответствует логическому 0.

Условия режима записи зависят от состояния, в которое необходимо устано­вить ЗЯ. Если триггер находился в состоянии 1 (транзистор VT2 открыт, транзистор VT1 — закрыт), то для записи 0 необходимо по разрядной шине подать напряжение ,сохраняя условие . При этом триггер перейдет в новое состояние, при котором транзистор VT2 закроется, а транзистор VT1 откроется. Для записи в ЗЯ логической 1 на шину следует подать напряжения и обеспечить условие . Временные диаграммы работы ЗЯ в режимах записи логического нуля или единицы приведены на рис. 17.3 б.

Запоминающая ячейка на RS-триггере, выполненном на p-канальных МОП
транзисторах, приведена на рис. 17.4 а. Триггер образован транзисторами
VT1,...,VT4. Переключение триггера для записи и считывания выполняется транзисторами VT5 и VT6. Временные диаграммы работы триггера изображены на
рис. 17.46

В исходном состоянии напряжения на разрядных шинах и равны нулю, а на шине слова установлено напряжение питания Е_п. При этом транзисторы VT5 и VT6 закрыты, так как напряжение между затворами и истоками меньше порогового напряжения, и триггер находится в одном из устойчивых состояний, например, транзистор VT3 открыт, а транзистор VT1 закрыт.

Для записи логической 1 в ЗЯ на шину слова подается отрицательный сигнал, изменяющий напряжение в ней до нуля. Одновременно в разрядную шину , по­дается положительный сигнал, изменяющий напряжение в ней до напряжения пи­тания . При этом транзистор VT5 открывается и положительный сигнал пода­ется на затвор VT3, запирая его. После запирания транзистора VT3 отпирается транзистор VT1 и на его стоке устанавливается положительное напряжение, что соответствует состоянию логической 1.

Для записи логического нуля в ЗЯ на шине слова устанавливается нулевое напряжение, а напряжение питания подается на разрядную шину Y₀. При этом транзистор VT6 открывается и положительное напряжение через него подается на затвор VT1, запирая его, что приводит к отпиранию транзистора VT3.

Для считывания информации, записанной в ЗЯ, нужно подать отрицательный сигнал только на шину слова, изменив в ней напряжение до нуля. При этом оба транзистора VT5 и VT6 открываются и через транзистор, подключенный к триг­геру е положительным напряжением, протекает ток, поступающий в соответству­ющую разрядную шину.

Устройство управления определяет режим работы схемы ОЗУ. По сигналу разрешаются или запрещаются операции записи и считывания. Сигнал позво­ляет выбрать требуемую микросхему памяти в ЗУ, состоящем из ряда микросхем. Подача сигнала на вход при наличии сигнала выбора микросхе­мы позволяет выбрать режим записи, если , или считывания, если

Данные, подлежащие записи, поступают на вход D1, а данные, подлежащие чтению, снимаются с выхода DO. Устройства записи и считывания обеспечивают прием и выдачу сигналов информации с уровнями, согласующимися с серийными цифровыми микросхемами.

По режиму питания статические ОЗУ можно разделить на группы с активным и активно-пассивным режимами питания. При активном режиме питания накопи­тель и схема управления потребляют практически одинаковую мощность при всех операциях: записи, считывания и хранения информации. При активно-пассивном режиме питания некоторые узлы переходят в режим малого потребления или пол­ностью отключаются, если микросхема находится в режиме хранения информа­ции. В результате при хранении информации потребляемая микросхемой мощ­ность уменьшается. При переходе в режим записи или считывания напряжения и токи питания восстанавливаются до номинальных значений. Использование ак­тивно-пассивного режима питания в несколько раз уменьшает среднюю мощ­ность, потребляемую микросхемой. По этой причине большинство микросхем ОЗУ используют такой режим.

Динамические ОЗУ. Для увеличения информационной емкости широко используются динамические ОЗУ, в которых информация хранится в виде заряда соответствующих емкостей. При токе утечки обратно смещенного p-n-переходаоколо 10^-10А и емкости хранения 0,1 пФ время хранения не превышает 1мс. В связи с этим необходимо восстановление (регенерация)хранимой информации с периодом не более 1мс. Емкостные ячейки памяти выполняются или на би­полярных, или на МОП транзисторах.

Для динамических ОЗУ характерны некоторые особенности, которые существенно отличают их от статических: динамические ЗЯ не требуют источника питания; для выполнения регенерации заряда необходимы соответствующие бло­ки; малая потребляемая мощность; для управления динамическим ОЗУ необходи­мы последовательности импульсов, которые обычно формируются специальными генераторами.

По способу регенерации микросхемы динамических ОЗУ делятся на адресные и безадресные. При адресной регенерации производится перебор регенерируемых ячеек с тем, чтобы за период регенерации восстановить заряды во всех ячейках. При безадресной регенерации заряды восстанавливаются во всех ячейках при по­мощи специальных тактовых импульсов.

Отличительной особенностью микросхем динамических ОЗУ является их ад­ресация. Схемы динамических ОЗУ отличаются от схем статических ОЗУ исполь­зованием последовательной адресации. Вначале на адресный вход подается строб адреса строки RAS, а затем строб адреса столбца CAS. Для этих стробов имеются специальные выводы микросхемы, которые показаны на структурной схеме рис. 17.1 Адресные сигналы поступают в регистры-фиксаторы, а затем на дешиф­раторы адресов.

Устройство типовой ячейки памяти динамического ОЗУ приведено на рис. 7.5. Хранение информации происходит в емкости C_GS (затвор — исток) полевого транзистора, а транзистор VT1 выполняет роль ключа выборки. Со­хранность информации при выборке и хранении обеспечивается при помощи

усилителя-регенератора. Режим хра­нения обеспечивается периодиче­ской регенерацией заряда емкости C_GS с частотой около сотни герц. В процессе регенерации уменьшение заряда на емкости C_GS компенсиру­ется усилителем регенератором.

Динамические ОЗУ имеют ма­лую потребляемую мощность (50... 500 мВт) при увеличении ин­формационной емкости. по сравне­нию со статическим ОЗУ почти на порядок.

Это объясняется тем, что для хранения информации почти не потребляется энергия, и все структу-ры работают в импульсном (ключевом) режиме.

Постоянные запоминающие устройства.Микросхемы ПЗУ можно разделить на две группы: однократно программируемые и перепрограммируемые. В первом типе ПЗУ информация после записи меняться не может, и микросхема работает только в режиме считывания. Структурная схема ПЗУ приведена на рис. 17.6. От схемы ОЗУ, приведенной на рис. 17.1, эта схема отличается отсутствием устрой­ства записи и линий, которые его обслуживают. Кроме того, изменяется выполне­ние накопителя, (матрицы памяти). В настоящее время находят применение два типа накопителей ПЗУ: масочные и программируемые.

В масочных ПЗУ (МПЗУ) накопитель программируется на стадии изготовле­ния, когда информация, записываемая в него, определяется построением одного из слоев схемы при помощи специального фотошаблона.

В программируемых ПЗУ (ППЗУ) накопитель выполняют на базе ЗЯ с плав­кими перемычками; их упрощенная схема приведена на рис. 17.7. При программировании эти плавкие перемычки пережигают с помощью специального про­граммирующего устройства. Сами плавкие перемычки изготовляют из нихрома или других тугоплавких материалов и защищают специальным диэлектриком, обеспечивающим надежность в условиях повышенной влажности. Процесс записи информации в схему представляет собой избирательное разрушение плавких пере­мычек током, обеспечиваемым устройством программирования. На рис. 17.7 плав­кие перемычки ПП показаны в виде предохранителей, включенных в эмиттеры многоэмиттерных транзисторов VТ₀...VТ_п. Программируемые элементы включе­ны между эмиттерами транзисторов матриц и разрядными шинами. Наличие перемычки соответствует логическому 0 на выходе усилителя считывания, а отсут­ствие перемычки — логической единице. Пережигание перемычек в режиме про­граммирования выполняется серией импульсов по специальной программе.

Для повышения надежности работы ПЗУ методика программирования преду­сматривает подачу серии 40... 100 импульсов после фиксации момента пережигания перемычки, а также обязательную термотренировку запрограммированного ПЗУ при определенной температуре (около 100°С) в заданном электрическом режиме.

Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ). Репрограммируемые ПЗУ делятся на две группы: 1) с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием EPROM; 2) с электрическим программированием и электрическим стиранием EEPROM. К последней группе также относятся РПЗУ с избирательным стиранием EAROM.

Запоминающие ячейки РПЗУ строятся на л-МОП или КМОП транзисторах. Для построения ЗЯ используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различными диэлек­трическими средами или проводящей и диэлектрической средой.

В первом случае диэлектрик под зат­вором МОП транзистора делают из двух слоев: из нитрида кремния и двуокиси кремния. Такая структура называется МНОП: металл — нитрид кремния — оки­сел — полупроводник. В такой структуре при высоком напряжении на затворе (око­ло 30 В) происходит туннельное перемеще­ние носителей заряда через слой двуокиси кремния, который делается очень тонким (до 10нм), к границе двух диэлектриков, вблизи которой имеется много ловушек

для носителей заряда. В результате внутри МОП структуры образуется некоторый заряженный слой, который приводит к изменению порогового напряжения МОП транзистора. При постоянном напряжении на затворе в режиме считывания ин­формации это приводит к изменению тока считывания.

Во втором случае затвор МОП транзистора делают плавающим, т. е. не свя­занным с другими элементами схемы. Такой затвор заряжается током лавинной инжекции при подаче на сток транзистора высокого напряжения (также около ЗОВ). В результате плавающий затвор начинает влиять на ток стока, что и ис­пользуется при считывании информации. Такие РПЗУ обычно называют выпол­ненными по структуре ЛИПЗ (лавинно-инжекционные с плавающим затвором).

Поскольку затвор транзистора со всех сторон окружен изолирующим слоем, ток утечки очень мал и хранение информации достаточно длительное (десятки лет). Для стирания информации в таких приборах пользуются облучением крис­талла через прозрачное специальное окно в корпусе микросхемы ультрафиолето­вым светом. Облучение ультрафиолетовыми лучами приводит к резкому увеличе­нию тока утечки, что способствует рассасыванию носителей заряда. Такие микросхемы получили название РПЗУ УФ или EPROM.

Другой способ перезаписи информации используется в РПЗУ с электрическим программированием. Он основан на размещении над плавающим затвором вто­рого — управляющего — затвора. Подача напряжения на управляющий затвор приводит к рассасыванию заряда за счет туннельного эффекта. Эти РПЗУ называ­ются EEPROM и имеют несомненные преимущества перед РПЗУ УФ, так как

не требуют при перепрограммировании специальных источников ультрафиолето­вого света. Структурная схема такого РПЗУ с шинным управлением приведена на рис. 17.8.

Интегральные микросхемы ЗУ.Промышленность выпускает большое коли­чество различных микросхем ЗУ, отличающихся информационной емкостью, организацией, технологией изготовления. Условное схематичное изображение микросхемы статического ОЗУ приведено на рис. 17.9 а. Функциональное назна­чение ИМС указывается обозначением RAM.

Отдельные типы микросхем ОЗУ могут иметь выходные каскады с тремя состояниями или с открытым коллектором. Для обозначения выхода с тремя со­стояниями используется знак . Микросхемы, имеющие выход с открытым кол­лектором, обозначаются индексом а с открытым эмиттером — знаком Применение микросхем с тремя состояниями выхода или с открытым коллекто­ром (открытым эмиттером) позволяет создавать модули ЗУ с различными пара­метрами.

Условные схематичные изображения динамического ОЗУ и ПЗУ приведены на рис. 17.9 б и в.