Дипломная (вкр): Исследование принципа работы постоянных запоминающих устройств

Типичный вариант реализации микросхемы ППЗУ представ лен на рис.19 Для конкретности рассмотрения взята структура микросхемы К556РТ4. Во всех основных элементах она повторяет структуру ПЗУМ (см. рис. 16), но имеет дополнительные устройства Fi-F4 для формирования тока программирования.

Матрица до программирования, т. е. в исходном состоянии, содержит однородный массив проводящих перемычек, соединяющих строки и столбцы во всех точках, их пересечений Перемычки устанавливают из нихрома (у микросхем серии К556 и др.), из поликристаллического кремния (К541), из силицида платины (К1608) и других материалов. Перемычка в матрице выполняет роль ЭП. Наличие перемычки кодируют логической 1, если усилитель считывания, является повторителем, и логическим 0, если усилитель считывания - инвертор, как на рис 18.

Следовательно, микросхема ППЗУ в исходном состоянии перед программированием в зависимости от характеристики выходного усилителя может иметь заполнение матрицы либо логическим 0, либо логической 1. Информация о принадлежности микросхем ППЗУ к той или другой группе по данному признаку при ведена в табл. 2.

Рисунок 18. Микросхемы ППЗУ

Таблица 2. Микросхемы ППЗУ

Программирование микросхемы, матрица которой в исходном состоянии заполнена 0, заключается в пережигании перемычек в тех ЭП, где должны храниться 1. Если матрица в исходном состоянии заполнена 1, то пережигают перемычки в ЭП, где должны храниться 0.

Работа запрограммированной микросхемы ППЗУ в режиме считывания ничем не отличается от работы микросхемы ПЗУМ. У некоторых микросхем, в частности КР556РТ5, КР556РТ17, имеется вывод для напряжения программирования UPR (рис 19, е) В режиме считывания этот вывод не задействуют

Разновидностью ППЗУ являются программируемые выжиганием плавких перемычек логические матрицы (ПЛМ), выполненные по ТТЛШ-технологии, К.556РТ1 и К.556РТ2, имеющие идентичные характеристики и конструктивные параметры, но отличающиеся типом выхода: у первой из микросхем выход с открытым коллектором, у второй-на три состояния (рис. 19, а) Названные микросхемы ПЛМ имеют 16 входов А15-А0 для переменных над которыми ПЛМ выполняет запрограммированные операции вход CS с нулевым разрешающим уровнем, вход PR разрешения записи, т е программирования, и восемь выходов.

Рисунок 19. Устройство микросхемы ППЗУ

Рисунок 20. Структура микросхемы ПЛМ

Структура микросхемы (рис. 20) включает операционную часть из матрицы И, матрицы ИЛИ, входных и выходных- усилителей и программирующую часть из адресных формирователей FA1-, FA2 и дешифратора DC PR.

Рисунок 21. Функциональная схема ПЛМ

Основу ПЛМ (рис. 21) составляют матрицы И и ИЛИ. Матрица И выполняет операции конъюнкции над 16 входными переменными и их инверсными значениями, которые поступают на строчные шины матрицы. Требуемые логические произведения формируют на шинах столбцов путем выжигания ненужных перемычек между строками и столбцами (на рис. 21.) оставленные перемычки указаны точками). Число столбцов 48, следовательно, на выходе матрицы И можно получить до 48 логических произведений, в каждое из которых может входить до 16 переменных и их инверсий. Матрица ИЛИ выполняет операцию дизъюнкции над логическими произведениями, сформированными матрицей И Число выходов этой матрицы 8, поэтому она способна сформировать до восьми логических сумм, в каждую из которых может входить до 48 логических произведений. Таким образом, возможности ПЛМ характеризуются числом .точек коммутации, равным в данном примере 1920. Программирование матрицы ИЛИ выполняется так же, как и матрицы И, путем выжигания «ненужных» перемычек. На выходах матрицы ИЛИ размерены программируемые усилители, которые в зависимости от состояния перемычки могут передавать значение выходной функции в прямой или инверсной форме представления.

Для программирования служат встроенные в микросхему узлы программирующей части, которые возбуждают разрешающий сигнал PR. Программирование осуществляют способом, аналогичным программированию ППЗУ, в три этапа: вначале, программируют матрицу И, затем матрицу ИЛИ и выходные инверторы.

Широко применяют ПЛМ, программируемые по способу заказного фотошаблона на заводе-изготовителе. Такие ПЛМ являются разновидностью масочных ПЗУ. Они включены, в частности, в состав многих микропроцессорных комплектов в качестве ПЗУ микрокоманд. На основе ПЛМ можно строить самые различные цифровые устройства как комбинационного, так и последовательностного типов.

Как отмечалось ранее, микросхемы ППЗУ потребляют большую мощность от источника питания. Поэтому представляется целесообразным использовать их свойство работать в режиме импульсного питания, когда питание на микросхему подают только при обращении к ней для считывания информации Особенности применения Микросхем ППЗУ в этом режиме состоят в следующем- во-первых, на управляющие входы должны быть поданы уровни, разрешающие доступ к микросхеме- если необходим 0, то данный вывод соединяют с общим выводом, если 1, то с шиной U« через резистор с сопротивлением 1 кОм, в этом случае функции сигнала выбора микросхемы выполняет импульс напряжения питания Ucc. во-вторых, для обеспечения режима импульсного питания применяют транзисторные ключи, на переходах которых падает часть напряжений, поэтому напряжение, подаваемое к внешним ключам, должно быть выбрано с учетом требования иметь на выводе питания микросхемы номинальное напряжение 5 В, в-третьих, из-за инерционности процессов коммутации цепи питания время выборки адреса микросхемы увеличивается в 2-3 раза.

При использовании импульсного режима питания среднее значение потребляемого тока и, следовательно, уровень потребляемой мощности существенно уменьшаются.

Постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) регистрового типа

Микросхемы РПЗУ

Основная отличительная особенность микросхем РПЗУ заключается в их способности к многократному (от 100 до 10 тыс.) перепрограммированию самим пользователем. Это свойство микросхем обеспечено применением ЭП со свойствами управляемых «перемычек», функции которых выполняют транзисторы со структурой МНОП (металл А1-нитрид кремния SJ3N4 - окисел кремния SiCb - полупроводник Si) и транзисторы p-МОП с плавающим затвором (ПЗ) с использованием механизма лавинной инжекции заряда ЛИЗМОП.

Всю номенклатуру выпускаемых микросхем РПЗУ можно разделить на две группы: РПЗУ с записью и стиранием электрическими сигналами (группа ЭС) и РПЗУ с записью электрическими сигналами и стиранием ультрафиолетовым излучением (группа УФ). Характеристики микросхем РПЗУ наиболее популярных серий приведены в табл. 3, а разводка их выводов - на рис. 22.

Микросхемы РПЗУ-ЭС содержат ЭП типа МНОП (К558, К1601) и ЛИЗМОП с двойным затвором (К573РР2, К1609РР1 и др.). Микросхемы РПЗУ-УФ имеют ЭП типа ЛИЗМОП с двойным затвором, отличающиеся от аналогичных структур в группе РПЗУ-ЭС тем, что требуют для стирания УФ облучение.

Элемент памяти со структурой МНОП представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа (рис. 4.9, а) или n-типа, имеющий двуслойный диэлектрик под затвором. Верхний слой формируют из нитрида кремния, нижний - из окисла кремния, причем нижний слой значительно тоньше верхнего.

Таблица 3. Микросхемы РПЗУ

Если к затвору относительно подложки приложить импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 30... . 40 В, то под действием сильного электрического поля между затвором и подложкой электроны приобретают достаточную энергию, чтобы пройти тонкий диэлектрический слой до границы раздела двух диэлектриков.

Верхний слой (нитрида кремния) имеет значительную толщину, так что электроны преодолеть его не могут.

Накопленный на границе раздела двух диэлектрических слоев заряд электронов снижает пороговое напряжение и смещает передаточную характеристику транзистора влево (рис. 23,6). Это состояние ЭП соответствует логической 1. Режим занесения заряда под затвор называют режимом программирования.

Логическому 0 соответствует состояние транзистора без заряда электронов в диэлектрике. Чтобы обеспечить это состояние, на затвор подают импульс напряжения отрицательной полярности с амплитудой 30 ... 40 В. При этом электроны вытесняются в подложку. При отсутствии заряда электронов под затвором передаточная характеристика смещается в область высоких пороговых напряжений. Режим вытеснения заряда из подзатворного диэлектрика называют режимом стирания.

Рисунок 22. Микросхемы РПЗУ

Режим стирания и программирования можно осуществить с помощью напряжения одной полярности: отрицательной для р-МНОП, положительной для n-МНОП структур. Эта возможность основана на использовании явления лавинной инжекции электронов под затвор, которая происходит, если к истоку и стоку приложить импульс отрицательного напряжения 30... 40 В, а затвор и подложку соединить с корпусом. В результате электрического пробоя переходов исток-подложка и сток-подложка происходит лавинное размножение электронов и инжекция не которых из них, обладающих достаточной кинетической энергией («горячих» электронов), на границу между слоями диэлектриков.

Для стирания необходимо подать импульс отрицательного напряжения на затвор. В режиме считывания на затвор подают напряжение Ut значение которого лежит между двумя пороговыми уровнями Если в ЭП записана 1, транзистор откроется а при 0- останется в закрытом состоянии. В зависимости от этого, как видно из рис 23, г, в разрядной шине либо будет протекать ток на выход, либо нет Усилитель считывания транс формирует состояние шины в уровень напряжения 1 или 0 на выходе микросхемы.

Микросхемы РПЗУ с ЭП на р-МНОП транзисторах KP558PPI, KPI601PP1, КР1601РРЗ (табл 3) имеют сравнительно низкое быстродействие, высокое напряжение программирования (30...40 В) и требуют двух источников питания.

Для улучшения характеристик РПЗУ широко применяют технологию изготовления ЭП на p-МНОП транзисторах. Такие ЭП устроены аналогично рассмотренным, но имеют проводимость подложки p-типа, а истока и стока n-типа. Микросхемы с ЭП на n-МНОП транзисторах КР558РР2, КР558РРЗ, К1611РР1 обладают втрое превосходящим быстродействием, сниженным до 22 В напряжением программирования и работают от одного источника питания.

Вариант ЭП на структуре ЛИЗМОП с двойным затвором (рис. 4.9, в) представляет собой n-МОП транзистор, у которого в подзатворном однородном диэлектрике SiCb сформирована изолированная проводящая область из металла или поликристаллического кремния. Этот затвор получил название «плавающего».

В режиме программирования на управляющий затвор, исток и сток подают импульс напряжения 21 ... 25 В положительной полярности. В обратно смещенных р-п переходах возникает процесс лавинного размножения носителей заряда и часть электронов инжектирует на ПЗ. В результате накопления на ПЗ отрицательного заряда передаточная характеристика транзистора смещается в область высокого порогового напряжения (вправо), что соответствует записи 0.

Рисунок 23. Элементы памяти РПЗУ

Стирание записанной информации, т. е. вытеснение заряда с ПЗ, в структурах ЛИЗМОП осуществляют двумя способами: в РПЗУ-ЭС электрическими сигналами, в РПЗУ-УФ с помощью УФ облучения. В структурах со стиранием электрическими сигналами импульсом положительного напряжения на управляющем затворе снимают заряд электронов, с ПЗ, восстанавливая низковольтный уровень порогового напряжения, что соответствует 1. В структурах с УФ облучением электроны рассасываются с ПЗ в подложку в результате усиления теплового движения за счет полученной энергии от источника УФ излучения.

Режим считывания осуществляют так же, как в ЭП на структуре МНОП. В режиме хранения обеспечивают отсутствие напряжений на электродах ЭП с тем, чтобы исключить рассасывание заряда в диэлектрической среде. Теоретическими расчетами доказана возможность сохранения заряда сотни лет. На практике это время ограничивают для одних типов микросхем несколькими тысячами часов, для других - несколькими годами, например, у К573РФ6 гарантийный срок сохранения информации без питания составляет пять лет. Следовательно, микросхемы РПЗУ относятся к группе энергонезависимых.

Устройство, принцип действия, режимы управления работой микросхем РПЗУ разных групп во многом аналогичны. Например, микросхемы К558РР2, К1609РР1, К573РР2, К573РФ2 емкостью 2К.Х8 бит, относящиеся к разным группам РПЗУ по типу элемента памяти, имеют похожую структуру и одинаковую разводку выводов корпуса (рис. 22,6). Отличие между микросхемами групп ЭС и УФ состоит в способе реализации режима стирания.

Принцип построения и режим работы РПЗУ рассмотрим на примере микросхемы КР1601РРЗ емкостью 2КХ8 с ЭП на р-МНОП транзисторах. Структурная схема (рис. 24) содержит все элементы, необходимые для работы микросхемы в качестве ПЗУ: матрицу с элементами памяти, дешифраторы кода адреса строк и столбцов, селектор (ключи выбора столбцов), устройство ввода-вывода УВВ. Кроме того, в структуре предусмотрены функциональные узлы, обеспечивающие ее работу в режимах стирания и программирования (записи информации) -это коммутаторы режимов и формирователи импульсов напряжений требуемой амплитуды и длительности из напряжения программирования UPR. По сравнению с микросхемами ПЗУМ и ППЗУ система управляющих сигналов дополнена сигналами программирования PR и стирания ER. Накопитель с матричной организацией содержит 128 строк и 128 столбцов, на пересечениях которых расположены 16 38-4 элементов памяти. Управление накопителем осуществляют семью старшими разрядами адресного кода, который после дешифрирования выбирает строку со 128 элементами памяти. Сигналы, считанные с элементов выбранной строки, поступают на входы селектора, назначение которого состоит в выборе из 128-разрядного кода на входах восьми разрядов, которые далее поступают через УВВ на выходы микросхемы. Селектором управляют четыре младших разряда адресного кода, которые после дешифрирования обеспечивают выборку одного восьмиразрядного слова из 16 слов, содержащихся в выбранной строке. Устройство управления под воздействием сигналов на своих входах, обеспечивает работу микросхемы в одном из следующих режимов: хранения, считывания, стирания, записи (программирования). Управляющие сигналы имеют следующее назначение: CS - выбор микросхемы; PR-разрешение на режим записи (программирования); UPR - напряжение программирования; RD - сигнал считывания; ER - сигнал стирания информации. Входы сигналов инверсные, поэтому разрешающим значением этих сигналов является 0. Многие микросхемы группы ЭС Допускают избирательное стирание по адресу. Условия реализации названных режимов для микросхем РПЗУ группы ЭС приведены в табл. 4. Рассмотрим эти условия для микросхемы КР1601РРЗ, обращаясь при этом к рис. 24.

В режиме общего стирания на управляющие входы подают сигналы, соответствующие табл. 4, в том числе напряжение программирования UPR =36 В. Процесс стирания начинается с момента подачи импульса ER, который должен иметь длительность от 100 до 200 мс. По окончании стирания все ЭП матрицы переходят в состояние, соответствующее логическому 0. В этом режиме сигналы на адресных и информационных выводах могут иметь произвольные значения.

Микросхема КР1601РРЗ допускает построчное стирание. Этот режим отличается от рассмотренного значением сигнала PR =0, наличием на всех информационных выводах сигналов с уровнем 1, а на адресных входах - сигналов адреса строки А4 -А10, по которому следует стереть информацию из всех-128 ЭП. Время избирательного стирания то же, что и общего.

Рисунок 24 Структура микросхемы РПЗУ - ЭС

В режиме записи (программирования) на выводы микросхемы подают записываемый байт, код адреса, управляющие сигналы по табл. 4. и затем импульс -сигнала программирования PR = 0 на время 20 мс. Для программирования в автоматическом режиме всей микросхемы с числом адресов 2048 требуется 41 с.

В режиме считывания на вывод UPR коммутируют напряжение питания -12 В (см. табл. 4) для снижения потребляемой мощности, подают код адреса и управляющие сигналы по табл. 4, причем сигнал считывания RD должен иметь импульсную форму. Спустя 0,4 мкс на информационных выходах появляется считываемое слово.

Режим хранения обеспечивают сигналом CS = 1, запрещающим обращение к микросхеме независимо от значений сигналов на других входах. Возможен второй вариант обеспечения режима хранения при использовании импульсного питания напряжением -12 В: Такой режим позволяет уменьшать потребляемую мощность. Когда в паузах между обращениями к микросхеме отключают напряжение питания, она переходит в режим хранения.

Таблица 4. режимы микросхем РПЗУ-ЭС

Управление переключениями питания целесообразно осуществлять сигналом CS.

При эксплуатации микросхем РПЗУ необходимо обеспечить требуемый порядок включения и выключения напряжений питания и программирования: при включении вначале подают 5 В, затем - 12 В и последним напряжение программирования, при выключении последовательность меняется на обратную. Можно все три напряжения включать и выключать одновременно.

Достоинством микросхем РПЗУ группы ЭС является возможность перепрограммирования без изъятия их из устройства, где они работают. Другим положительным свойством микросхем дан-

ной группы является значительное число циклов перепрограммирования, достигающее для большинства микросхем 10 тыс. Это их свойство в сочетании с энергонезависимостью позволяет их широко использовать в аппаратуре в качестве встроенных ПЗУ со сменяемой информацией. Гарантийный срок сохранения информации при отключенном питании составляет от 3 тыс. ч до 5 лет (КМ1609РР1).