книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfс однократной записью и ПЗУ со стиранием информации, в которых возможна перезапись данных. Отличие репрограммируемых ПЗУ (РПЗУ) от ОЗУ заключается в организации отдельного режима стирания и занесения информации, не совмещенного с основным режимом работы устройства.
Постоянные ЗУ с однократной записью (масочные ПЗУ, или ROM) поставляются пользователю в готовом виде. Они программируются изготовителем в производственных условиях с помощью заказного фотошаблона (маски). В соответствии с рисунком фотошаблона в рабочем слое кристалла создают окна, в которых формируют проводящие перемычки, соединяющие ЗЭ с шиной данных, причем наличие перемычки соответствует записи логической 1, а ее отсутствие - логического 0 (рис.9.12).
Рис. 9.12. Фрагмент ПЗУ с плавкими перемычками
Впоставляемой изготовителем микросхеме однократно программи руемого пользователем ЗУ (ППЗУ), или Programmable ROM (PROM), пер воначально все ЗЭ подключены к шинам (во всех ячейках записаны 1). Программирование заключается в пережигании по заданному адресу с по мощью мощных импульсов тока плавких перемычек, изготовленных из нихрома или поликремния.
Вмногократно программируемых (репрограммируемых) пользовате лем ЗУ, или Erasable PROM (EPROM),, применяют бистабильные МДПтранзисторы с электрически формируемыми низким U0H и высоким UQB уровнями порогового напряжения отпирания (рис.9.13,я).
Рис. 9.13. Характеристики бистабильного транзистора (а), схема ЗЭ (б), структуры транзисторов с плавающим затвором (в) и МНОП (г)
В режиме считывания при подаче на выбранную адресную шину X единичного напряжения, значение которого лежит между пороговыми Уровнями LOH< Ux< С/ов, будут открыты только подключенные к шине тран зисторы с низким пороговым уровнем (рис.9.13,6). Через шину данных, с которой соединен открытый транзистор, на вход усилителя чтения поступит ток, который преобразуется в единичный уровень напряжения на выходе.
Принцип действия бистабильных МДП-транзисторов базируется на создании в подзатворном диэлектрике объемного заряда, изменяющего на пряжение отпирания. Для локализации заряда в диэлектрике наряду с ос новным формируют дополнительный, так называемый п л а в а ю щ и й поликремниевый затвор, не имеющий соединения с внешними электродами (рис.9.13,в).
Висходном состоянии заряд на плавающем затворе отсутствует, и транзистор имеет низкий уровень отпирания. Для перевода в нулевое со стояние (программирования ячейки) устанавливаются высокие напряжения на шинах данных (UY> 10В) и адреса {Vx > Uy). В сильном электрическом поле вблизи стока электроны переходят в диэлектрик, где под действием поперечной составляющей поля движутся к плавающему затвору и заря жают его. Образующийся отрицательный заряд повышает напряжение о г крывания. Ток инжекции через диэлектрик весьма мал, что приводит к суще ственному интервалу времени программирования (на четыре порядка пре вышающего время считывания). Поскольку плавающий затвор полностью окружен диэлектриком, заряд сохраняется длительное время (десятки лет).
Стирание информации (удаление заряда с плавающего затвора) про изводят с помощью ультрафиолетового излучения, которое придает элек тронам дополнительную энергию, достаточную для их перехода в область подложки. Для этого микросхема извлекается из рабочего устройства, и через окно с кварцевым стеклом в корпусе производится облучение кри сталла. Такой способ приводит к удалению содержимого всего накопителя.
Вкаждом цикле стирания под действием облучения происходят неболь шие изменения в структуре диэлектрика, что ограничивает число циклон перезаписи (несколько десятков).
Наряду с БИС ПЗУ, в которых используется ультрафиолетовое сти рание информации, широко распространены устройства памяти с электри ческим стиранием ЭРПЗУ (EEPROM). Конфигурация и расположение управляющего и плавающего затворов позволяют за счет высокого напря жения на управляющем затворе перевести на него электроны с плавающе го затвора, восстановив низкий уровень порогового напряжения.
ВПЗУ с электрическим стиранием используют также структуры с двухслойным диэлектриком под управляющим затвором. Под затвором формируют слой нитрида кремния Si3N4, отделенный от подложки тонкой пленкой двуокиси кремния Si02 (рис. 9.13,г). Пороговое напряжение изме няют подачей на затвор импульсов положительного напряжения. Веледе г вие очень большого сопротивления слоя Si3N4 заряд электронов будет на капливаться на границе раздела диэлектриков и сохраняться длительное время. Изменение знака приложенных импульсов напряжения приводи! структуру в состояние с низким пороговым уровнем.
Электрически стираемые РПЗУ предоставляют возможность стирания и перепрограммирования любого выбранного бита информации в
соответствии с адресом ЗУ непосредственно в электронном изделии, в котором они используются. Кроме того, на несколько порядков увеличивается допустимое число циклов перепрограммирования.
Достоинством ПЗУ является простота ЗЭ и обслуживающих устройств, позволяющих создавать БИС ЗУ большой информационной емкости (более 1Мбит) при невысокой стоимости.
9.4. Построение З У с заданны ми свойствами
Цифровая вычислительная и управляющая системы содержат про цессоры, память и устройства ввода-вывода данных. Существует боль шое число технических средств хранения и обмена цифровыми данны ми, основанных на различных физических эффектах. Прогресс в области вычислительной техники предъявляет постоянно растущие требования по увеличению информационной емкости ЗУ, повышению их быстро действия, уменьшению энергопотребления при условии снижения стои мости. Разработка и производство устройств памяти идет весьма интен сивно, не всегда успевает за темпами совершенствования процессоров.
Полупроводниковые ИМС ЗУ занимают доминирующее положение среди устройств внутренней памяти вычислительных средств, что обу словлено их технологической, конструктивной и электрической совмести мостью с блоками вычислительной системы. БИС ЗУ большой емкости (десятки мегабайт) нашли применение в качестве внешней памяти.
Конструктивно-технологический уровень БИС ЗУ весьма высок, и их совершенствование идет достаточно интенсивно с использованием дости жений интегральной технологии (минимального нормативного технологи ческого размера, медных линий связи, многоуровневой системы межсо единений), схемотехники (оптимальной схемы элемента и структуры на копителя, пониженного напряжения электропитания), конструкции (ра циональной трассировки межсоединений, корпусов с большим числом внешних выводов).
В силу регулярной матричной структуры накопителя в ЗУ достигну та максимальная плотность упаковки элементов на кристалле. Структура БИС ЗУ представляет собой множество разделенных переходами полупро водниковых областей (ЗЭ) с динамически изменяемыми свойствами. Под действием входных сигналов происходит изменение электрофизических параметров областей и разделяющих их переходов.
При разработке БИС ЗУ большой информационной емкости и стрем лении повысить степень интеграции проявляются фундаментальные физи ческие и конструктивные ограничения, связанные с протяженностью пере ходных областей, максимальным значением напряженности электрическо го поля и другими факторами.
Повышение быстродействия БИС ЗУ с максимальной степенью ин-
теграции ограничено в первую очередь рассеиваемой в кристалле мощно стью, которая не должна превышать отводимую тепловую мощность. При естественном охлаждении рассеиваемую мощность можно оценить значе нием 2 Вт/см2 Увеличить отводимую мощность можно за счет ряда эф фективных способов охлаждения (принудительного с помощью вентиля тора, использования специальных корпусов с радиаторами), которые тре буют выполнения анализа тепловых режимов устройства.
При оценочных расчетах быстродействие элементов можно характе ризовать временем переключения т, зависящим от паспортного параметра ИМС - энергии переключения А = Р т, где Р - средняя мощность, потреб ляемая элементом. Схемотехнические методы снижения потерь мощности элементов сводятся в основном к уменьшению напряжения электропита ния, что приводит в свою очередь к снижению амплитуды рабочих сигна лов и уменьшению логического перепада. Во избежание сбоев при считы вании логические уровни напряжения должны превышать помехи в задан ных условиях.
Для микросхем на базе МДП-технологии основное потребление эле ментом энергии приходится на режимы переключения, длительность кото рых зависит от значений емкостей структуры и разрядных (переходных) токов. В системах с матричной организацией основное влияние оказывают емкости формирующих схему ЗУ линий связи (шин), обладающих боль шой протяженностью (например, при площади кристалла 1 см2 общая дли на соединений может составлять единицы метров) и занимающих до 70('о площади. Значения емкостей зависят от параметров линий связи, т.е. мате риала, расположения и размеров проводников (длины, ширины, зазора). Существенную роль в повышении быстродействия ЗУ играет рациональ ное размещение линий связи (трассировка межсоединений на кристалле).
Создание ИМС ЗУ производителем связано с решением сложных за дач проектирования, производства и контроля изделий с использованием средств вычислительной техники на всех этапах.
Разработчик электронных вычислительных средств создает систем\ памяти с заданными свойствами на основе типовых промышленных мик росхем ЗУ. Сложные и, как правило, противоречивые требования к систе мам памяти индивидуальных вычислительных средств не позволяют реа лизовать ЗУ с использованием единственной промышленной микросхемы Для обеспечения гибкости проектирования систем памяти применяют мо дульный принцип их построения. Структура и параметры используемых модулей определяют основные характеристики ЗУ в целом (аппаратные затраты, быстродействие, надежность, стоимость).
Схема объединения модулей зависит от типа организации ИМС 3\ одноразрядные (с матричной организацией) и многоразрядные (со словарной организацией). При словарной организации в матрице ячеек накопите ля объемом N xN выделено m слов с п разрядами каждое, причем m xn^N
Например, ЗУ с организацией 128 х 8 бит содержит 128 слов по 8 бит каж дое в матрице накопителя емкостью 32x32 бита (рис. 9.14).
Рис. 9.14. Структура ЗУ емкостью 1024 бит с организацией 128 слов по 8 бит
Адресные шины разделены на две части: первая задает код выбора строки, а вторая определяет номер селектора 4:1 (MUX0, MUX7), под ключающего заданное слово (группу ЗЭ) через усилители записи-чтения к шинам данных. Режим работы задает устройство управления (на рисунке не показано).
Как уже указывалось, ЗУ с матричной организацией имеют единст венную линию данных и позволяют производить запись-чтение данных побитно в соответствии с адресом. Обычно требования к информационной емкости ЗУ значительно превосходят возможности одной ИМС как по числу хранимых слов, так и по их разрядности. Для удовлетворения задан ных требований БИС ЗУ объединяют в модули, которые вместе с управ ляющим устройством образуют функциональный блок памяти.
Большие блоки памяти достаточно просто построить на базе одно разрядных БИС, наращивая их разрядность до требуемого уровня путем объединения одноименных адресных и управляющих входов. Такое со единение обеспечивает минимальную емкостную и токовую нагрузку вследствие отсутствия параллельного соединения шин данных.
Для наращивания числа хранимых в блоке слов, состоящем из оди наковых ИМС, объединяют одноименные управляющие входы и соеди няют параллельно шины данных на входе и выходе для образования входной и выходной шин блока (рис.9.15). Адресное пространство блока расширяют путем добавления старших разрядов, которые используют для выбора соответствующей ИМС. ЗУ с такой организацией носят название страничных, что отражает процесс заполнения данными по модулям ИМС в соответствии с номером страницы, задаваемой кодом старших разрядов адреса А6,А 7.
ЭЛЕКТРОНИКА
Рис. 9.15. Объединение четырех модулей 64x4 в ЗУ 512x4
Наращивание числа слов потребовало дополнительных аппаратных затрат (дешифратор, дополнительные линии). Параллельное соединение ряда линий передачи сигналов привело к увеличению емкостей и возраста нию нагрузки элементов, что сопровождается снижением быстродействия.
Более сложные задачи приходится решать при построении системы памяти для уникальных электронных управляющих приборов. В этом слу чае, как правило, требуется распределять ресурс памяти между модулями различных типов (ВЗУ, ПЗУ, ОЗУ).
При проектировании устройств внутренней памяти необходимо ре шать проблему их полной совместимости между собой и с входящими в прибор электронными блоками по множеству характеристик и параметров (эксплуатационных, конструктивных, электрических). Основные свойства БИС ЗУ характеризуют информационная емкость и организация памяти, быстродействие, энергозависимость хранимых данных, типы корпуса и подключаемой магистрали (интерфейса), напряжение электропитания и потребление электроэнергии.
Микросхемы ЗУ как элементы электронной аппаратуры описывают с помощью электрических параметров, характеризующих режимы работы, управляющие сигналы, способы сопряжения с другими узлами. К статиче ским параметрам ЗУ, определяемым соответствующими параметрами эле ментов накопителя и управляющих устройств, относятся номиналы и до пуски питающих напряжений, потребляемые от источников токи, логиче ские уровни напряжений и токов, коэффициенты разветвлений и объеди нения. Динамические характеристики представляют собой временные за висимости последовательностей сигналов управления в различных режи мах работы и описываются такими параметрами, как длительности им пульсов на всех входах и их взаимное распределение.
Все указанные характеристики и параметры приведены в норматив но-технической документации для конкретной БИС ЗУ и становятся дос
тупными разработчику после выбора типа памяти и ее элементной базы в виде набора ИМС.
На начальной стадии распределения ресурсов памяти между различ ными типами используют сравнительные характеристики, описывающие основные свойства ЗУ, и их соответствие требованиям к прибору в целом. Для успешного решения сложной задачи выбора типов ЗУ, соотношение между которыми во многом определяет характеристики прибора в целом, проектировщик должен обладать достаточно полной информацией о но менклатуре и свойствах выпускаемых БИС ЗУ, а также об основных прин ципах построения систем памяти и тенденциях их развития.
Одним из основных элементов, от которых зависит безотказная ра бота автоматических цифровых систем, является память программ, по скольку разрушение содержащейся в них информации при воздействии внешних факторов (отключения электропитания, помехи) приводит к вы ходу из строя всей системы. Не разрушающаяся при отключении электро питания информация содержится в ПЗУ.
Выпускается несколько типов взаимно дополняющих друг друга ПЗУ, отличающихся способом программирования, сложностью, надежно стью, быстродействием, стоимостью и другими факторами, которые опре деляют возможности их применения в разрабатываемом устройстве.
Всистемах, предназначенных для серийного производства, целесо образно использовать программируемые изготовителем масочные ПЗУ, имеющие более простую структуру, высокую надежность и низкую стои мость по сравнению с другими типами постоянной памяти. Для опытных партий изделий применяются однократно программируемые ПЗУ, позво ляющие производить занесение индивидуальной информации на этапе разработки приборов.
Всистемах, алгоритмы работы которых могут изменяться, целесооб разно использовать перепрограммируемые ПЗУ. Сложная структура ЗЭ, устройств стирания и программирования значительно повышает стоимость РПЗУ по сравнению с однократно программируемыми. В вычислительных устройствах с весьма редким изменением алгоритма работы применяют РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, так как для полного стирания ин формации необходимы извлечение ИМС из устройства и значительное время (минуты) облучения ультрафиолетовым светом.
Электрически стираемые ПЗУ (ЭРПЗУ) удобны при разработке опытных образцов и уникальных изделий, поскольку допускают много кратное перепрограммирование любой адресно-доступной области нако пителя непосредственно в составе прибора. Это позволяет использовать ЭРПЗУ на этапе предварительной отладки системы с последующей заме ной ее на более дешевые типы ПЗУ.
Совершенствование логической организации электрически стираемо го ПЗУ, ее структуры и схемотехнических решений на основе новых техно
логических приемов привело к созданию перспективного вида ЭРПЗУ (EEPROM), называемого флэш-памятью (от англ, flash - вспышка) и соче тающего большую плотность упаковки данных и высокое быстродействие, которые получены благодаря организации функционирования подобно на копителям на магнитных дисках. Возможность быстрого стирания одно временно целого сектора ЗУ сокращает суммарную длительность управ ляющих сигналов. Запись осуществляется байтами в последовательном по рядке. Высокая плотность упаковки достигается за счет топологии ячейки, включающей восемь интегрированных в единое целое транзисторов.
Большая информационная емкость флэш ЗУ позволяет широко ис пользовать их в качестве малогабаритной полупроводниковой внешней памяти без подвижных деталей, что весьма важно в мобильных системах Например, модуль флэш-диска FDM-128 емкостью 128 Мбайт обеспечива ет скорость обмена данными порядка 9 Мбайт/с при потреблении тока при мерно 200 мА.
Как указывалось в вычислительных системах нашли применение две разновидности ОЗУ:
•статические (Static RAM), имеющие триггерные ЗЭ;
•динамические (Dynamic RAM) с хранением данных в виде заряда
конденсатора.
Оперативные ЗУ статического типа значительно проще в примене нии и отличаются весьма высоким быстродействием. Их целесообразно использовать в буферных устройствах небольшой емкости высокого быст родействия (например, кэш-памяти). В системах обработки больших объе мов информации преимущественно применяют динамические ОЗУ, отли чающиеся большим многообразием.
Функционально завершенный блок ОЗУ содержит набор микросхем памяти, управляющее устройство (контроллер) и вспомогательные согла сующие схемы (буферные регистры, шинные формирователи). Типовые БИС ОЗУ предназначены для работы в асинхронном режиме, когда запись и чтение производятся в произвольные моменты времени при установке на входах соответствующих последовательностей управляющих сигналов. Для повышения быстродействия ОЗУ в составе вычислительной системы используют различные схемотехнические и организационные решения. Один из подходов основан на обеспечении определенного порядка чередо вания адресов при жесткой синхронизации работы ОЗУ и процессора (Syn chronous DRAM). Например, обеспечивается быстрый страничный доступ, когда после выбора строки матрицы возможно обращение к данным в раз личных модулях без изменения адреса строки. Другой подход заключается в дополнении динамической памяти небольшой по объему быстрой стати ческой памятью, которая работает по принципу согласования режимов бы строго и медленного обращений.
Блоки динамической памяти с произвольной выборкой (DRAM) за
нимают ведущее место при построении ОЗУ благодаря огромной инфор мационной емкости ИМС с достаточным быстродействием. При их ис пользовании в специальных электронных вычислительных системах сле дует учитывать особенности, связанные с хранением больших массивов информации в форме достаточно малых зарядов конденсатора. Основная трудность связана с решением проблемы обеспечения их помехозащищен ности. Переходные процессы, обусловленные управляющими сигналами в многочисленных линиях связи блока, могут вызвать значительные им пульсные помехи, приводящие к незапланированным зарядам запоминаю щих конденсаторов. Одновременное переключение огромного числа быст родействующих элементов связано с появлением больших переходных то ков, которые на некоторое время повышают потенциал нулевого провода, что также приводит к искажению информации.
На работу ЗУ динамического типа существенно влияет ионизирую щее излучение, которое создает электронно-дырочные пары зарядов, изме няющие информационное значение заряда конденсатора хранения.
Для эффективной безотказной работы вычислительного устройства в непрерывном режиме целесообразно иметь часть оперативной памяти, со храняющей информацию при отключении (отказе) электропитания. При меняется несколько способов обеспечения энергонезависимости ОЗУ. Один из наиболее распространенных заключается в использовании резерв ного батарейного электропитания с логическими схемами переключения. Другим способом является размещение в одном корпусе со статическим ОЗУ схемы контроля питающего напряжения и небольшого теневого ЭРПЗУ для хранения основной информации.
Достоинства ОЗУ и энергонезависимость ЭРПЗУ совмещены в схе мах, содержащих запоминающие конденсаторы с диэлектриком на основе цирконат-титанат свинца (PZr-керамики). Сегнетоэлектрический эффект обеспечивает два устойчивых состояния конденсатора при двух уровнях порогового напряжения (гистерезисную зависимость вход - выход).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие принципы заложены в основу классификации запоминающих устройств?
2.Каков принцип действия магнитного ЗУ?
3.Каков принцип действия оптического ЗУ?
4.Какие основные элементы входят в состав полупроводникового ЗУ?
5.Каковы признаки классификации полупроводниковых ЗУ?
6.Какова структура и основные параметры оперативных ЗУ?
7.В чем различие статического и динамического ОЗУ?
8.Каково назначение и особенности постоянных ЗУ?
9.Какие основные запоминающие элементы применяются в ПЗУ?
10.Каковы способы организации ЗУ с заданными свойствами?
Глава 10
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
ЮЛ. Универсальные и специализированные ИМС
Интенсивное развитие микроэлектроники, основными направления ми которого являются повышение плотности упаковки элементов на кри сталле и расширение функциональных возможностей, привело к созданию весьма сложных универсальных (стандартных) устройств: БИС памяти, микроконтроллеров, цифровых фильтров.
Создание типовых универсальных модулей СБИС, обладающих ши рокими функциональными возможностями и наиболее высоким уровнем интеграции, связано с большими затратами на их проектирование и подго товку производства. Поэтому разработка таких СБИС оправдана только для изделий, предназначенных к массовому производству, т.е. функцио нальных универсальных модулей, которые используются в большом числе информационных и вычислительных систем.
Функционирование специализированных систем обработки инфор мации, управления и контроля связано с необходимостью применения спе циализированных (нестандартных) устройств, придающих совокупности типовых БИС функциональные уникальные свойства. Например, при соз дании блока оперативной памяти наряду с набором стандартных БИС 3^ требуются регистры временного хранения адресов, дополнительные де шифраторы, шинные формирователи, управляющие блоки. Устройства, осуществляющие вспомогательные функции, могут быть выполнены на основе базовых логических и запоминающих элементов или отдельных ИМС невысокой степени интеграции.
Сцелью снижения аппаратных затрат и упрощения проектирования
вспециализированных устройствах целесообразно использовать ограни
ченный набор универсальных базовых схем. Базовым элементом комби национных устройств может быть мультиплексор, позволяющий реализо вывать произвольные логические функции. Например, схему мультиплек сора 4:1 (рис. 10.1 ,я) можно использовать в качестве генератора логических функций, реализующего полный их набор для двух переменных А и В, по даваемых на адресные входы. Вид выполняемой логической операции за дается кодом (набором сигналов), устанавливаемым на входной шине дан ных (рис. 10.1 ,6).