книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

с 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).