Файл: Конспект лекций по ЦП, ч1 (Пономарёв, 2006).pdf

элемента Иi - единица и, если на адресных входах код An-1,An-2,...,A1,A0(BIN) = i(DEC), то сигналы на линиях Yr и Yc тоже равны 1 и триггер ij прозрачен для записи входной информации DIOj.

Врежиме чтения ~WE=1, ~OE=0 и при Yr=Yc=1, выходной сигнал ~Q после инверсии элементом Иij

соткрытым коллектором проходит на выход DIOi.

Следует обратить внимание на то, что выходы всех 2^n j-ых элементов памяти должны подключаться к общему j-му выводу микросхемы - DIOj. Такое объединение выходов возможно с помощью схемного либо монтажного И(ИЛИ). Монтажное И(ИЛИ) не требует дополнительных схем и может выполняться на элементах с открытым коллектором или с третьим состоянием. Внутри рассматриваемой схемы j-е выходы ЭП объединены на общем резисторе Rj, служащем нагрузкой элементов И-НЕij с открытым коллектором.

Для увеличения информационной емкости,отдельные микросхемы группируются в банки и их одноименные выходы должны объединяться. По этой причине выходы всех микросхем памяти также выполняются с открытым коллектором либо с третьим состоянием.

ВЭВМ статическое ОЗУ используется в быстродействующей Cash-памяти.

6.2.2ОЗУ ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА

Вотличие от статических ЗУ, которые хранят информацию пока включено питание, в динамических ЗУ необходима постоянная регенерация информации, однако при этом для хранения одного бита в ДОЗУ нужны всего 1-2 транзистора и накопительный конденсатор (рис. 6.3). Такие схемы более компактны. По этой причине, при одинаковых размерах кристалла, информационная емкость DRAM выше, чем у

SRAM.

Рис. 6.3. Запоминающая ячейка динамического ОЗУ.

Рис. 6.4. Конструкция ячейки ДОЗУ. Снизу представлен разрез схемы по линии А-А.

Количество адресных входов и габариты должны увеличиться. Чтобы не допустить этого, адресные линии внутри микросхемы разбиваются на две группы, например старшая и младшая половина. Две одноименные k-линии каждой группы подключаются к двум выходам внутреннего k-го демультиплексора "1 в 2", а его вход соединяется с k-ым адресным входом микросхемы. Количество адресных входов, при этом уменьшается в два раза, но зато передача адреса в микросхему должна производиться, во-первых в два приема, что несколько уменьшает быстродействие, и во-вторых потребуется дополнительный внешний мультиплексор адреса. В процессе хранения бита конденсатор разряжается. Чтобы этого не допустить заряд необходимо поддерживать.

Естественно, что в микросхеме динамического ОЗУ есть один или несколько тактовых генераторов и логическая схема для восстановления информационного заряда, стекающего с конденсатора. Это несколько "утяжеляет" конструкцию ИМС.

Чаще всего и СОЗУ, и ДОЗУ выполнены в виде ЗУ с произвольной выборкой, которые имеют ряд преимуществ перед ЗУ с последовательным доступом.

Суммируя, можно перечислить чем отличается динамическое ОЗУ от статического: 1)мультиплексированием адресных входов, 2)необходимостью регенерации хранимой информации, 3)повышенной емкостью (до нескольких Мбит), 4)более сложной схемой управления. На рисунке внизу

приведено условное обозначение м/с 565РУ7 емкостью 256K*1 (218K) и способ подключения 18-ти линий адреса к девяти адресным входам с помощью 9-ти мультиплексоров "2 в 1", например трех счетверенных селекторов-мультиплексоров типа 1533КП16.

Элементы памяти расположены на кристалле в виде матрицы 512 * 512 = 29 * 29, управляемой двумя линейными дешифратороми строк и столбцов, каждый с 9-ю адресными входами. Если сигнал строка/столбец ~R/C на входе выбора S мультиплексора, равен нулю, то A(0..8) = Y(0..8) и в микросхему передается адрес строки. Этот адрес фиксируется отрицательным фронтом строба адреса строк ~RAS. При ~R/C = 1 на выходы мультиплексора передается адрес столбцов A(9..17), который защелкивается отрицательным перепадом строба адреса столбцов ~CAS. Вход ~WE управляет записью/чтением. Оперативная память персональных ЭВМ - (SIMM, EDO, SDRAM..) является динамической памятью. Время обращения к ней меньше 10нс, а емкость достигает 256M в одном корпусе.

6.2.3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ВЫБОРКОЙ

На рис. 6.5 показано обозначение ЗУПВ и его внутренняя структура.

Рис. 6.5. ОЗУ с произвольной выборкой. а) ОЗУ 16x4 бит; б) ОЗУ 64Кx1 (КР565РУ5)

Здесь: D1-Dn (справа DI) - информационные входы; Q1 - Qn (справа DO) - инверсные выходы; A1An - адресные входы; WE# - запись/чтение; CS# (Chip Select) - выбор кристалла; CAS# (Column Address Strobe)

и RAS# (Row Address Strobe) - сигнал выборки столбца и строки соответственно.

Представленное здесь ЗУПВ - это ДОЗУ с организацией хранения информации 65536 бит на 1 разряд. Накопительная матрица с однотранзисторными запоминающими элементами имеет размер 512x128. Для уменьшения количества задействованных ножек у ИМС (16-входовый DIP корпус) применена мультипликация адреса, что видно на рисунке по наличию отдельных дешифраторов строк и столбцов. Устройство управления включает два генератора тактовых сигналов и генератор сигналов записи и обеспечивает 4 режима работы: записи, считывания, регенерации и мультипликации адреса. Время регенерации - 2 мс.

6.3. ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

6.3.1 ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ

Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 6.6.

Рис. 6.6. МОП транзистор с плавающим затвором Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные

характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном

- или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение,

определяется как где J(t) - величина инжекционного тока в момент времени t.

Рис. 6.7. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3.2 эВ). Fe - высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

6.3.2 МНОП ТРАНЗИСТОР

На рис. 6.8 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремнияполупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

Рис. 6.8. Конструкция МНОП транзистора: 1 - металлический затвор; 2,3 - области истока и стока соответственно; 4 - подложка.

Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

Рис. 6.9. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

Ток в окисле Jox - туннельный ток инжекции, ток JN - ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока

определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A - константы, Е - напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться: - ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;

- подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему.

В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 105.

6.3.3 РЕПРОГРАММИРУЕМОЕ ПЗУ Микросхемы РПЗУ допускают многократное, до сотен тысяч, циклов перепрограммирования на

рабочем месте пользователя. Это свойство обеспечивается применением ЭП на МОП транзисторах с "плавающим затвором". Толщина изоляции "плавающего затвора" порядка 200 ангстрем. Информация считается стертой, если на выходах всех ЭП высокий уровень сигнала. В режиме программирования, на выбранный по адресной шине ЭП, куда необходимо записать ноль, подается импульс. Стирание осуществляется УФ-излучением (EPROM), либо электрически (EEPROM). При этом все ячейки переводятся в состояние "1". Записанная информация сохраняется в течение нескольких лет. Одной из м/с этого типа является EPROM 573РФ2 с организацией (2К * 8) и тристабильными выходами.

В Flash-памяти толщина изоляции "плавающего затвора" менее 100 ангстрем, поэтому при перепрограммировании используется туннельный эффект.

6.3.4ОДНОКРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПЗУ ППЗУ (PROM,OTP)

вкачестве элементов памяти имеют набор плавких перемычек, которые в процессе программирования пережигаются импульсами тока. На рис.75 приведена схема ППЗУ.

Для любого значения адресных сигналов найдется единственный выход дешифратора "i" на котором сигнал Yi = 1, на остальных выходах будут нули. Потенциал базы j-транзистора будет зависеть в этом случае только от наличия или отсутствия перемычки fi. Если перемычка есть (fi=1), то на базе высокий уровень сигнала, транзистор открыт и выходной сигнал DOj = 0. Если перемычки нет (fi=0),то DOj=1.Пережиганием перемычек в соответствующих j-битах всех адресов, в микросхему записывается программа и/или данные. Выходной сигнал дешифратора Yi = mi, где mi-минтерм входных переменных A0..An-1.Транзистор с перемычками выполняет роль ИЛИ-НЕ, поэтому сигнал

2^n-1 n-1

~DOi =ИЛИ(fi * mi), где mi = И(/Ak). i=0 k=0

причем /Ak = ~Ak, если Ak во входном наборе равна 0 и /Ak = Ak, если Ak = 1. Эти формулы соответствуют формулам СДНФ (12), поэтому с помощью ПЗУ с n-адресными входами и m-выходами можно реализовать любые m-логических функций с n-переменными (учитывая инверсию сигнала выходным каскадом).

6.4 ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ ПАМЯТЬ (NVSRAM)

Всякая память сохраняющая данные при отключении внешнего источника питания может считаться энергонезависимой - NonVolatile Memory, однако этот термин больше утвердился за статической оперативной памятью:

•с встроенной в микросхему литиевой батарейкой большой емкости .

•с дополнительной EEPROM на том же кристалле, причем обмен данными между SRAM и EEPROM производится либо программно либо автоматически при падении/восстановлении напряжения

6.5 УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗРЯДНОСТИ ЯЧЕЙКИ ПАМЯТИ (СЛОВА)

Если требуется хранить данные размером в n-бит, а длина слова ячейки памяти m-бит (n>m), то прибегают к наращиванию длины слова. Делается это путем объединения n/m - микросхем в группы, причем все одноименные входы, кроме информационных, соединяются между собой. Например, если требуется динамическая память емкостью 256K с длиной слова равной байту, то необходимо объединить 8 / 1 = 8 микросхем типа 565РУ7, как это показано на рис.

На рисунке девять линий адреса показаны в виде шины - т.е. группы проводников, объединенных по функциональному признаку.

6.6 УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЯЧЕЕК ПАМЯТИ

Увеличение адресного пространства ЗУ в 2k раз требует столько же микросхем памяти и "k" дополнительных линий адреса, к уже имеющимся "n"линиям An+k-1, . .An+0, An-1, An-2, ... A1, A0. Дополнительные адресные линии An+k-1 .. An+0 должны разбивать требуемое адресное поле на 2k неперекрывающихся интервалов, покрываемых объемом памяти каждой отдельной микросхемы. Для решения этой задачи требуется дополнительный дешифратор "k в 2k". Например, если нужен блок ПЗУ емкостью 2K*4, то потребуется 8 микросхем 256*4 типа 541РТ1 и один дешифратор "3 в 8", как показано на рис.