Репрограммируемые ПЗУ
Реферат
Репрограммируемые ПЗУ
Выполнил:
студент гр. РЭ-03-1
Краснобаев Ю. О.
Проверил:
доц. каф. радиоэлектроники
Колбунов В. Р.
Днепропетровск - 2007
Вступление
Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами (ЦУ). Микросхемы памяти в общем объеме выпуска интегральных схем занимают от 40% до 70% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Основная функция микросхем памяти заключается в адресуемой записи, считывании информации и её хранении. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ. Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическая структура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной. Нужно отметить, что от параметров запоминающих устройств в значительной степени зависят технические характеристики вычислительных средств.
Место РПЗУ в иерархии запоминающих устройств
Для классификации ЗУ (рис. 1) важнейшим признаком является способ доступа к данным. Полупроводниковые ЗУ делятся на адресные, последовательные и ассоциативные. При адресном доступе код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равнодоступны. Эти ЗУ наиболее разработаны, и другие виды памяти часто строят на основе адресной с соответствующими модификациями. Адресные ЗУ делятся на RAM (Random Access Memory) и ROM (Read-Only Memory).
Рис. 1. Виды адресных запоминающих устройств
Русские синонимы термина RAM: ОЗУ (оперативные ЗУ) или ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой). Оперативные ЗУ хранят данные, участвующие в обмене при исполнении текущей программы, которые могут быть изменены в произвольный момент времени. Запоминающие элементы ОЗУ, как правило, не обладают энергонезависимостью. В ROM (русский эквивалент — ПЗУ, т. е. постоянные ЗУ) содержимое либо вообще не изменяется либо изменяется, но редко и в специальном режиме. Для рабочего режима это "память только для чтения. RАМ делятся на статические и динамические. В первом варианте запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором варианте данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки, достижимую в статических RAM. Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специальных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминающими элементами имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов становится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называют квазистатическими. Статические ЗУ называются SRAM (Static RAM), а динамические — DRAM (Dynamic RAM). Статические ОЗУ можно разделить на асинхронные, тактируемые и синхронные (конвейерные). В асинхронных сигналы управления могут задаваться как импульсами так уровнями. Например, сигнал разрешения работы CS может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти. В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязательно должны быть импульсными, например, сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного состояния в активное (должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле). Этот тип ЗУ называют часто синхронным. Здесь использован термин "тактируемые", чтобы "освободить" термин "синхронные" для новых типов ЗУ, в которых организован конвейерный тракт передачи данных, синхронизируемый от тактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных в несколько раз. Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная палять ЭВМ. Статические ЗУ в 4...5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз меньше по информационной емкости. Их достоинством является высокое быстродействие, а типичной областью использования — схемы кэш-памяти. Постоянная память типа ROM(М) программируется при изготовлении методами интегральной технологии с помощью одной из используемых при этом масок. В русском языке ее можно назвать памятью типа ПЗУМ (ПЗУ масочные). Для потребителя это в полном смысле слова постоянная память, т. к. изменить ее содержимое он не может.
В следующих трех разновидностях ROM в обозначениях присутствует буква Р (от Programmable). Это программируемая пользователем память (в русской терминологии ППЗУ - программируемые ПЗУ) Ее содержимое записывается либо однократно (в ROM) либо может быть заменено путем стирания старой информации и записи новой (в EPROM и EEPROM). В EPROM стирание выполняется с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, ее русское название РПЗУ-УФ (репрограммируемое ПЗУ с УФ-стиранием). В EEPROM стирание производится электрическими сигналами. ее русское название РПЗУ-ЭС (репрограммируемое ПЗУ с электрическим стиранием). Английские названия расшифровываются как Electrically Programmable ROM и Electrically Erasable Programmable ROM. Программирование FROM и репрограммирование EPROM и EEPROM производятся в обычных лабораторных условиях с помощью либо специальных программаторов, либо специальных режимов без специальных приборов (для EEPROM). Запись данных и для EPROM и для EЕPROM производится электрическими сигналами. В ЗУ с последовательным доступом записываемые данные образуют некоторую очередь. Считывание происходит из очереди слово за словом либо в порядке записи, либо в обратном порядке. Память типа Flash по запоминающему элементу подобна памяти типа EEPROM, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.
Устройство РПЗУ
Устройство микросхем РПЗУ. Основная отличительная особенность микросхем РПЗУ заключается в их способности к многократному (от 10 до 10 тыс.) перепрограммированию, которое осуществляет пользователь. Это свойство микросхемы имеют благодаря применению элементов памяти с возможностью управляемой перемычки. Функции таких элементов памяти выполняют транзисторы со структурой МНОП (Металл Al — Нитрид кремния SiN4 — Окисел кремния Si02—Полупроводник Si) или транзисторы со структурой ЛИЗМОП (Металл – Окисел кремния – Полупроводник с Лавинной Инжекцией Заряда). Микросхемы РПЗУ подразделяют на две группы: стираемые электрическим сигналом (ЭСППЗУ) и стираемые УФ излучением (СППЗУ). Микросхемы ЭСППЗУ содержат элементы памяти типа МНОП или ЛИЗМОП с двойным затвором. В микросхемах СППЗУ применяется также ЛИЗМОП - элемент памяти с двойным затвором, отличающийся от аналогичных ЭП в микросхемах ЭСППЗУ тем, что требует для стирания УФ излучение. Элемент памяти со структурой МНОП представляет собой МОП-транзистор с индуцированным каналом n – или р – типа, имеющий двуслойный диэлектрик под затвором. Верхний слой сформирован из нитрида кремния, нижний—из окисла кремния, причем нижний слой значительно тоньше верхнего. 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 получат достаточную энергию, чтобы преодолеть тонкий диэлектрический слой и попасть на границу раздела двух диэлектриков. Поскольку верхний слой имеет значительную толщину, то электроны не могут его пройти и накапливаются внутри подзатворного слоя. Накопленный под затвором заряд электронов снижает пороговое напряжение МНОП-транзистора и тем самым смещает передаточную характеристику влево (рис. 2). Состояние ЭП с зарядом под затвором соответствует лог. 1. Состояние ЭП без заряда под затвором соответствует лог. 0.
Рис. 2. Элементы памяти РПЗУ
а) со структурой МНОП б) передаточная характеристика МНОП- транзистора в) со структурой ЛИЗМОП - транзистора г) расположение ЭП в накопителе
В этом состоянии передаточная характеристика МНОП-транзистора занимает положение с более высоким порогом отпирания. Процесс программирования микросхем ЭСППЗУ происходит в два этапа. На первом этапе стирают информацию во всех МНОП - элементах памяти. Для этого импульсом напряжения отрицательной полярности, прикладываемым на затвор относительно подложки, с амплитудой 30 ... 40 В электроны вытесняются из подзатворного диэлектрика в подложку. Следовательно, при стирании информации элемент памяти получает состояние лог. 0. На втором этапе производят выборочную запись в нужные ЭП лог. 1 импульсом напряжения положительной полярности, подаваемым на затвор относительно подложки. На практике режимы стирания и записи осуществляют напряжением одной полярности: отрицательной для рМНОП - элементов и положительной для nМНОП - элементов памяти. Эта возможность основана на использовании явления лавинной инжекции электронов под затвор, которая происходит при соединении затвора с подложкой и подаче на сток и исток импульса напряжения относительно подложки и затвора такой полярности, чтобы переходы между подложкой и стоком, истоком оказались под обратным смещением. Амплитуда импульса должна быть достаточной для возникновения в переходах электрического пробоя. Типичные значения напряжения программирования лежат в пределах 20... 30 В. В результате электрического пробоя переходов в них происходит лавинное размножение носителей заряда и инжекция части этих носителей, обладающих достаточной кинетической энергией, на границу между слоями подзатворного диэлектрика. При считывании на затвор подают напряжение Uсч, значение которого лежит между двумя пороговыми уровнями. Если в МНОП-транзистор записана единица, то он откроется, а при нуле останется в закрытом состоянии. В зависимости от этого, как видно из рис. 2, г, в разрядной шине либо будет протекать ток на выход, либо нет. Усилитель считывания трансформирует состояние шины в сигнал с уровнем лог. 0 или лог. 1 на выходе микросхемы. Микросхемы с элементами памяти на рМНОП-транзисторах имеют сравнительно низкое быстродействие, высокое напряжение программирования 30 ... ... 40 В и требуют двух источников питания. Для улучшения характеристик микросхем ЭСППЗУ широко применяют технологию n-канальных МНОП-структур. Такие элементы памяти устроены аналогично рассмотренным, но имеют обратный тип проводимости подложки, стока и истока. Микросхемы на nМНОП-транзисторах обладают втрое превосходящим быстродействием, сниженным до 21 ...25 В напряжением программирования и работают от одного источника питания. Элемент памяти на транзисторе ЛИЗМОП с двойным затвором показан на рис. 2. Он представляет собой n - канальный МОП-транзистор, у которого в подзатворном однородном диэлектрике окисла кремния сформирована изолированная проводящая область из металла или поликрнсталлического кремния. Этот затвор получил название «плавающий», поскольку при наведении на нем электрического заряда его потенциал может изменяться в широких пределах, т. е. быть «плавающим». В режиме программирования на управляющий затвор, исток и сток подают импульс напряжения программирования положительной полярности с амплитудой 21 ...25 В. В обратносмещенных переходах сток—подложка и исток— подложка возникает процесс лавинного размножения носителей заряда и часть электронов инжектирует на плавающий затвор. В результате накопления на нем отрицательного заряда передаточная характеристика транзистора смещается вправо, т. е. в область более высокого порогового напряжения, что соответствует записи в элемент памяти лог. 0. Стирание записанной информации осуществляют вытеснением заряда с плавающего затвора. Эту процедуру выполняют дзумя способами; в микросхемах ЭСППЗУ — импульсом напряжения на управляющем затворе положительной полярности, а в микросхемах СППЗУ — с помощью УФ излучения, под воздействием которого в результате усиления теплового движения электроны рассасываются с плавающего затвора, перемещаясь в подложку. Состояние ЛИЗМОП-элемента памяти без заряда на плавающем затворе соответствует лог. 1.
В этом состоянии транзистор имеет более низкий пороговый уровень, т. е. его передаточная характеристика смещается влево. В режиме считывания микросхемы РИЗУ с элементами памяти на ЛИЗМОП-структурах работают так же, как микросхемы с МНОП-элементами памяти. Микросхемы РПЗУ относятся к группе энергонезависимых. При отсутствии достаточно высоких напряжений, какими являются напряжения программирования, состояния элементов памяти на МНОП- и ЛИЗМОП-транзисторах могут оставаться неизменными длительное время как при наличии питания, так и при его отсутствии. Например, для микросхемы СППЗУ К573РФ6 гарантийный срок сохранения информации без питания около пяти лет. Устройство, принцип действия, микросхем СППЗУ и ЭСППЗУ и режимы управления их работой во многом аналогичны.
Рис. 3. Структура микросхемы ЭСППЗУ
Рассмотрим принцип построения ЭСППЗУ на примере микросхемы КР1601РРЗ информационной емкостью 2 Кбита. В этой микросхеме элементами памяти являются МНОП-транзисторы. Структурная схема (рис. 3) содержит все функциональные узлы. необходимые для обеспечения работы микросхемы в качестве ПЗУ: матрицу накопителя с элементами памяти, дешифраторы кода адреса строк и столбцов, селектор (ключи выбора столбцов), устройство ввода-вывода. В структуре микросхемы предусмотрены также функциональные узлы, с помощью которых осуществляется программирование, т. е. реализуются режимы стирания и записи информации: коммутаторы режимов, формирователи импульсов напряжений требуемой амплитуды и длительности. Для управления работой микросхем РПЗУ применяют полностью или частично следующие сигналы: CS — выбор микросхемы. ОЕ—разрешение выхода, PR—разрешение программирования,
ER—стирание. Для программирования микросхемы нуждаются в дополнительном источнике напряжения UPP. Накопитель с матричной организацией содержит массив элементов памяти, размещенных на пересечениях 128 строк и 128 столбцов. Всего в накопителе находится 16384 элемента памяти. Управление накопителем осуществляют семью старшими разрядами А4... А10 адресного кода. Им выбирают строку, в которой находится 128 элементов памяти или 16 восьмиразрядных ячеек памяти. Информационные сигналы, считанные с элементов памяти выбранной строки, поступают на входы селектора, назначение которого состоит в выборе одного из 16 слов (байт). Селектором управляют четыре младших разряда А0 ... А3 адресного кода. Выбранное селектором восьмиразрядное слово поступает в УВВ и далее на выход микросхемы. Устройство управления под воздействием внешних сигналов обеспечивает работу микросхемы в одном из следующих режимов: хранения, считывания, стирания, записи (при программировании). Многие микросхемы ЭСППЗУ допускают избирательное стирание информации (по адресу). Микросхемы СППЗУ имеют аналогичную структурную схему с тем исключением, что в них нет режима стирания электрическим сигналом и. следовательно, соответствующих функциональных узлов и элементов. Для стирания микросхема СППЗУ помещается в камеру с источником ультрафиолетового излучения. Для проникновения УФ лучей к кристаллу в крышке корпуса имеется прозрачное кварцевое окно. Время стирания составляет 30... 60 мин. Микросхемы ЭСППЗУ имеют значительно меньшее время стирания информации, составляющее доли секунды.
Основными характеристиками РПЗУ является: информационная ёмкость в битах, время доступа в микросекундах, мощность и напряжение питания, напряжения считывания а также время перезаписи.
Сравнение ЭСППЗУ и СППЗУ
Микросхемы ЭСППЗУ и СППЗУ имеют ряд существенных отличий, основными из которых являются следующие:
а) микросхемы ЭСППЗУ допускают перепрограммирование без изъятия из контактного устройства, а микросхемы СППЗУ перепрограммируют в специальном устройстве—программаторе, причем предварительно они должны быть облучены УФ излучением для стирания информации;
б) микросхемы ЭСППЗУ имеют значительно меньшее время стирания (0,02 ...20 с), чем микросхемы СППЗУ (20 ... 30 мин);
в) микросхемы ЭСППЗУ некоторых серий допускают избирательное стирание и коррекцию информации, микросхемы СППЗУ режима избирательного стирания не имеют;
г) микросхемы ЭСППЗУ значительно превосходят микросхемы СППЗУ по числу циклов перепрограммирования. У первых это число лежит в пределах 100... 104, а у вторых—25... 100; такое различие обусловлено старением диэлектрика в микросхемах СППЗУ под воздействием УФ излучения и, как следствие, ухудшением его изоляционных свойств, что приводит к уменьшению времени сохранения заряда электронов на «плавающем» затворе;
д) микросхемы СППЗУ конструктивно оформлены в корпуса с кварцевым окном в крышке для пропускания Уф излучения к кристаллу; после программирования требуется защита от освещения, в противном случае возможно случайное стирание информации;
е) микросхемы СППЗУ изготавливают по более простой технологии, поэтому они дешевле микросхем ЭСППЗУ.
Перечисленные различия микросхем ЭСППЗУ и СППЗУ обусловлены в основном их устройством, типом элемента памяти и принципом функционирования.
Список использованной литературы
1. Угрюмов Е. П. – Цифровая схемотехника. – Петербург, 2004. – 528 с.: ил.
2. Лебедев О. Н. – Применение микросхем памяти в электронных устройствах. – М.: Радио и связь, 1994. – 216 с.: ил.
3. Шило В. Л. – Популярные цифровые микросхемы. – М.: Ягуар, 1993. – 63 с.: ил.
