Цифровые интегральные микросхемы Микроэлектроника - (стр. 13 из 19)
7.1 Структура микросхем памяти
Полупроводниковые ОЗУ, ПЗУ состоят из двух основных частей: накопителя и схемы управления, или периферии. Накопитель – это основная часть ПЗУ, где хранятся данные (двоичные коды). Периферия предназначена для ввода и вывода этих данных. В нее входят дешифраторы, усилители, регистры, разного рода ключевые схемы, коммутаторы и другое.
Накопитель состоит из элементов памяти (ЭП), каждая из них хранит один бит информации. Основу ЭП составляют бистабильные ячейки, основным свойством которых является наличие двух устойчивых состояний – 0, 1.
На рис. 57 представлена типичная структура запоминающего устройства с матричной организацией.
Рис. 57. Структура микросхемы ОЗУ
На приведенной схеме используются следующие сокращения:
·ДШх, ДШу – адресные дешифраторы строк и столбцов;
·ФЗС – формирователь сигналов записи/считывания;
·СУ – схема управления;
·АШх, РШ – адресные и разрядные шины;
·DI, DO – шины записи и считывания соответственно;
·БК – буферный каскад.
Накопитель представляет собой прямоугольную матрицу ЭП, содержащую nx строк и ny столбцов. Емкость накопителя N = nx · ny. Каждый ЭП подключен к адресным (АШ) и разрядным (РШ) шинам. Выбор необходимого ЭП осуществляется путем подачи определенной комбинации адресных переменных (Am … A1 , A0). Адресные дешифраторы строк (ДШx) и столбцов (ДШy) формируют сигналы выборки на соответствующих АШ, которые определяют строку и столбец накопителя, в котором расположен выбираемый ЭП. Таким образом, m адресных входов позволяют выбирать один из N = 2m элементов памяти.
Режим работы микросхемы определяется сигналами выбора микросхемы
(CHIP SELECT) и записи-считывания 
(WRITE/READ). При подаче низкого потенциала на вход выбора 
схема управления (СУ) разрешает формирование сигналов выборки на АШx . Если при этом сигнал на входе 
, то СУ формирует управляющий сигнал, при котором ФЗС обеспечивает запись в выбранном ЭП информации, поступающей на вход DI. Выход DO в этом случае находится в отключенном состоянии. Если сигнал 
, то СУ переключает ФЗС в режим считывания, при котором информация из выбранного ЭП передается на выход DO, при этом состояние входа DI не влияет на работу микросхемы.При
микросхема находится в режиме хранения, т. е. состояние ЭП не меняется при любых сигналах на входах (Am … A0), DI, . Выход DO находится в отключенном состоянии.Типовые временные диаграммы, иллюстрирующие работу микросхем памяти, приведены на рис. 58.
Рис. 58. Временные диаграммы работы микросхем памяти с произвольной выборкой
Адресные сигналы A и сигнал
обычно устанавливаются на входах микросхемы до поступления сигнала .Микросхемы, предназначенные только для считывания информации, не содержат узлов, отвечающих за ее запись.
Запоминающие устройства с произвольной выборкой служат для оперативного запоминания информации и способны хранить ее только при включенном питании. По принципу действия различают статические и динамические ОЗУ. Элементом памяти статических ОЗУ (SRAM) служат триггеры, которые могут быть реализованы по любой технологии. В динамических ОЗУ (DRAM) носителем информации является емкость между затвором МОП-транзистора и корпусом, которая может быть заряжена или разряжена.
7.2 Элементы памяти БИС ОЗУ, ПЗУ
Элементы памяти статистического ОЗУ. ЭП биполярного ОЗУ представляет собой асинхронный RS-триггер, построенный из двух логических элементов И-НЕ, выполненных на двух двухэмиттерных транзисторах.
ЭП подключен к двум разрядным линиям РЛ “0” и РЛ “1” и адресной линии АЛ. В зависимости от комбинации напряжений на этих линиях ЭП может работать в режимах хранения, записи и считывания информации.
Если, например, транзистор Т1 открыт, то низкий потенциал его коллектора подается на базу транзистора Т2 и поддерживает его закрытое состояние. Высокий потенциал коллектора закрытого Т2, в свою очередь, поддерживает открытое состояние транзистора Т1. В состоянии хранения по линии адреса АЛ поддерживается низкий потенциал.
Пусть ЭП хранит нуль 0, если Т2 закрыт, а Т1 – открыт. Тогда для записи единицы 1 необходимо одновременно подать высокие уровни в линии АЛ и РЛ “0” и низкий уровень в линию РЛ “1”. Тогда транзистор Т1 закрывается, а Т2 – открывается. Для считывания информации в адресную линию АЛ подается высокий уровень. При этом в транзисторе, находящемся в открытом состоянии, происходит перераспределение токов эмиттеров, и большая часть тока будет течь в разрядной линии РЛ “1”, если считывается 1, или в РЛ “0” – если считывается 0.
Биполярные SRAM обладают наивысшим быстродействием, однако по сравнению с SRAM, выполненными по МОП-технологиям, имеют значительно меньшую емкость и большее энергопотребление. Это объясняется тем, что МОП-транзистор занимает в несколько раз меньшую площадь на кристалле, чем биполярный, и потребляет меньший ток. Последние достижения МОП-технологий обеспечивают приближение МОП ЗУ по быстродействию к биполярным.
Наименьшим энергопотреблением отличаются ЗУ, выполненные на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-технология). В ЭП КМОП-типа транзисторы Т1 и Т2 имеют каналы p-типа, а транзисторы Т3 – Т6- каналы n-типа.
В результате потребляемая мощность в режиме хранения определяется токами утечки каналы n- и p-переходов. В режиме переключения требуется значительно бóльшая мощность, так как при этом ток протекает через оба приоткрытых транзистора Т1, Т4 и Т2, Т5. Однако, расходуемая мощность КМОП ЗУ на порядок меньше, чем у биполярных.
Элемент памяти динамического ОЗУ. Накопитель занимает большую часть площади кристалла микросхем памяти, поэтому для увеличения их информационной емкости необходимо уменьшать размеры ЭП. Это достигается при использовании динамического способа хранения информации в виде заряда, накопленного на паразитной емкости. Обычно динамические ЭП реализуются на МДП-транзисторах, так как при этом обеспечивается достаточно длительное время хранения информации (приблизительно 10 миллисекунд) без ее регенерации.
Один из вариантов трех-транзисторного динамического ЭП с раздельными шинами для записи и считывания показан на рис. 61. Информация хранится в виде заряда емкости CЗ ≈ 0,1 пф. В процессе записи от РЛЗ при разрешающем высоком потенциале на АЛЗ через открытый транзистор Т2 заряжается емкость CЗ до потенциала РЛЗ, соответствующего U0 или U1. По окончании сигнала адреса на АЛЗ транзистор Т2 запирается и ЭП переходит в режим хранения информации.
Считывание информации производится на разрядной линии РЛсч, находящейся под высоким потенциалом U1, при подаче на адресную линию считывания АЛсч высокого потенциала, которым открывается транзистор Т3. Если ЭП находится в единичном состоянии (CЗ заряжена до потенциала до U1), то транзистор Т1 также будет открыт и потенциал разрядной линии снизится до потенциала U0. Если емкость CЗ была заряжена до потенциала U0, то транзистор Т1 будет находиться в закрытом состоянии и потенциал РЛсч останется неизменным, т. е. равным U1.
Чтобы избежать потери информации из-за уменьшения с течением времени заряда емкости CЗ, производится его периодическая регенерация (восстановление).
В режиме регенерации сигналы выборки подаются на обе адресные линии АЛсч и АЛЗ. Сигналы, считанные с выхода каждого ЭП выборкой строки, через усилители-регенераторы подаются на их входы, и восстанавливают потенциал емкости до первоначальной величины. Так одновременно производится регенерация информации в одной из строк накопителя.
Для выполнения полной регенерации необходимо на адресные входы последовательно подать адреса всех строк. Для большинства микросхем регенерацию необходимо производить с частотой порядка десятков-сотен герц.
Еще меньшую площадь на кристалле занимает однотранзисторный ЭП (рис. 62).
Хранение информации осуществляется на емкости CЗ, а транзистор Т1 выполняет роль ключа выборки, который открывается высоким потенциалом адресной линии АЛ. При записи в РЛ подается потенциал U0 или U1, в зависимости от поступающего на микросхему сигнала: DI= 1 или 0. Такой же потенциал устанавливается на емкости CЗ и сохраняется на ней после окончания выборки, когда транзистор Т1 закрыт. Сохранность информации при считывании обеспечивается усилителем-регенератором, который устанавливает в РЛ промежуточный опорный потенциал Uоп, значение которого U1 > Uоп > U0. Когда транзистор Т1 открывается сигналом АЛ, опорное напряжение увеличивается до Uсч0 (если CЗ заряжена до U0). Обычно
, поэтому усилитель-регенератор усиливает считываемые сигналы Uсч0 и Uсч1 до заданного уровня и восстанавливает первоначальный заряд на CЗ.