Оперативные запоминающие устройства

Оперативные запоминающие устройства подразделяются на статические (SRAM) и динамические (DRAM).

Статические ОЗУ.

Статические ОЗУ относительно дорогостоящие, но имеют высокое быстродействие.

Статические ОЗУ (SRAM), как правило, имеют структуру 2DM, часть их при небольшой информационной емкости строится по структуре 2D.

Запоминающими элементами статических ОЗУ служат триггеры с цепями установки и сброса. Триггеры можно реализовать по любой схемотехнологии (ТТЛ (Ш), И2Л, ЭСЛ, п-МОП, КМОП, AsGa и др.), соответственно которой существуют разнообразные схемы ЗУ. В последнее время наиболее интенсивно развиваются статические ЗУ, выполненные по схемотехнологии КМОП.

Среди отечественных серий ИМС хорошо развитыми являются серии К537 технологии КМОП и К132 технологии л-МОП.

Элемент памяти ЭП на л-МОП транзисторах (рис. 11.50) представляет собой RS-триггер на транзисторах VT1 и VT2 с ключами выборки VT3 и VT4. Транзисторы VT5 и VT6 являются нагрузкой соответственно транзисторов VT1 и VT2.

При обращении к данному ЭП появляется высокий потенциал на шине выборки ШВ. Этот потенциал открывает ключи выборки VT3 и VT4 по всей строке, и выходы триггеров строки соединяются со столбцовыми шинами считывания-записи. Одна из столбцовых шин связана с прямым выходом триггера (обозначена через D;), другая — с инверсным (D;). Через столбцовые шины можно считывать состояние. Через них же можно записывать данные в триггер, подавая низкий потенциал логического нуля на ту или иную шину.

При подаче нуля на шину D снижается стоковое напряжение транзистора VT1, что запирает транзистор VT2 и повышает напряжение на его стоке. Это открывает транзистор VT1 и фиксирует созданный на его стоке низкий уровень даже после снятия сигнала записи. Триггер установлен в состояние лог.1. Аналогичным образом нулевым сигналом по шине D можно установить триггер в нулевое состояние. При выборке строки со своими столбцовыми шинами соединяются все триггеры строки, но только одна пара шин связывается с выходными цепями считывания или входной цепью записи в соответствии с адресом столбца.

Схема ЭП на л-МОП-транзисторах статического ОЗУ

Рис. 77.50. Схема ЭП на л-МОП-транзисторах статического ОЗУ

На рис. 11.51 приведен пример внешней организациия статического ОЗУ емкостью 64 Кбита (8К х 8). Состав и функциональное назначение сигналов адреса А12.0, выборки кристалла CS, чтения/записи R/W соответствуют рассмотренным выше сигналам аналогичного типа. Входы и выходы ИМС совмещены и обладают свойством двунаправленных передач.

Пример внешней организации статического ОЗУ

Рис. 77.57. Пример внешней организации статического ОЗУ

Имеется также вход О Е разрешения по выходу, пассивное состояние которого (О Е = лог.1) переводит выходы в третье состояние (отключает выходы). Режимы работы ОЗУ отображаются табл. 11.26.

Функционирование ОЗУ во времени регламентируется временными диаграммами, устанавливаемыми изготовителем. Например, чтобы исключить возможность обращения к другой ЯП, рекомендуется подавать адрес раньше, чем другие сигналы, с опережением на время его декодирования. Адрес должен держаться в течение всего цикла обращения к памяти.

Затем следует подать сигналы R/W, определяющие направление передачи данных и, если предполагается запись, то записываемые данные DIO7...DIO0, а также сигналы выборки кристалла CS и, при чтении, разрешения выхода О Е.

Статические ОЗУ подразделяются на асинхронные и тактируемые (синхронные). В тактируемых ОЗУ к определенным сигналам (как правило, к сигналу CS) предъявляется требование импульсного характера. В асинхронных ОЗУ такие требования отсутствуют и, например, разрешение работы может производиться постоянным уровнем CS = лог.О на протяжении множества циклов обращения к памяти.

Режимы работы ОЗУ

Таблица 7 7.26

CS

оЕ

R/W

А

DIO

Режим

1

X

X

X

Z

Хранение

0

X

0

А

DI

Запись

0

0

1

А

DO

Чтение

Пример временных диаграмм для процессов чтения и записи в статическом ОЗУ показан на рис. 11.52, а, б. На них показаны времена выборки относительно адреса tA и выбора tcs, длительности импульсов tw различных сигналов и цикла адреса tCY(А), задержка tDZ перехода выхода из активного состояния в состояние отключено, времена предустановки tsu и удержания ?н с указанием сигналов, для которых они отсчитываются. Приведено время восстановления trec(wr)> отсчитываемое как необходимая пауза между повторениями активных интервалов, сигнала WR.

Статические ОЗУ энергозависимы — при снятии питания информация в триггерных запоминающих элементах теряется.

Триггерные ОЗУ — одно из основных направлений применения БиКМОП-технологии, в которой стремятся объединить достоинства схем на основе биполярных приборов и МОП-структур. Применительно к SRAM это реализация триггеров на схемах КМОП, а цепей выдачи данных, имеющих значительную емкостную нагрузку, с которой элементы типа КМОП справляются плохо, на биполярной схемотехнике (ЭСЛ или ТТЛШ). Повышенная сложность изготовления БиКМОП- схем и их удорожание могут быть скомпенсированы более высоким их быстродействием, эффективной работой на длинные линии и другими факторами.

Временные диаграммы режимов чтения (а) и записи (б)

Рис. 71.52. Временные диаграммы режимов чтения (а) и записи (б)

в статическом ОЗУ

На рис. 11.53 в качестве примера показан фрагмент ячейки статического ОЗУ, выполненная по БиКМОП-технологии. Показанный условно источник тока реально выполняется так же, как и в обычных схемах ЭСЛ. Возможность быстро формировать сигналы в нагруженных цепях линий записи-считывания позволяет сохранить быстродействие на уровне, соответствующем внутренним частям ОЗУ, в которых КМОП-схемы работают в условиях малых нагрузок.

К статическим ОЗУ относятся, например, ИМС: КМ132РУ8, КР541РУ2, КР537РУ13.

Динамические ОЗУ. Для увеличения информационной емкости широко используются динамические ОЗУ (DRAM), в которых хранение одного бита информации осуществляется в виде заряда конденсатора, специально сформированного внутри МОП-структуры. В ОЗУ динамического типа ЭП является запоминающий конденсатор, функции которого выполняет емкость закрытого р-п-перехода, значение которой обычно не превосходит 0,1—0,2 пФ.

Такой ЭП значительно проще триггерного, содержащего шесть транзисторов, что позволяет разместить на кристалле намного больше ЭП (в А—5 раз) и обеспечивает динамическим ОЗУ максимальную емкость. В то же время конденсатор неизбежно теряет со временем свой заряд, и хранение данных требует их периодической регенерации (через несколько миллисекунд).

Электрическая схема и конструкция однотранзисторного ЭП показаны на рис. 11.54. Ключевой транзистор VT отключает запоминающий конденсатор С3 от линии записи-считывания (ЛЗС) или подключает его к ней. Сток транзистора не имеет внешнего вывода и образует одну из обкладок конденсатора. Другой обкладкой служит подложка. Между обкладками расположен тонкий слой диэлектрика — оксида кремния Si02.

В режиме хранения ключевой транзистор VT заперт. При выборке данного ЭП на затвор по линии выборки (ЛВ) подается напряжение, отпирающее транзистор VT. Запоминающая емкость С3 через проводящий канал подключается к ЛЗС и, в зависимости от заряженного или разряженного состояния емкости, различно влияет на потенциал ЛЗС. При записи потенциал линии записи-считывания передается на конденсатор, определяя его состояние. В силу большой протяженности ЛЗС и большого числа подключенных к ней транзисторов ее емкость многократно превышающая емкость ЭП.

Фрагмент ячейки статического ОЗУ по БиКМОП-технологии

Рис. 11.53. Фрагмент ячейки статического ОЗУ по БиКМОП-технологии

Схема (а) и конструкция (б) ЭП динамического ОЗУ

Рис. 11.54. Схема (а) и конструкция (б) ЭП динамического ОЗУ

Перед считыванием производится предзаряд ЛЗС. Перед считыванием емкость Сл заряжается допустим до уровня Ucc/2. Будем считать, что хранение единицы соответствует заряженной емкости С3, а хранение нуля — разряженной.

При считывании нуля к ЛЗС подключается емкость С3, имевшая нулевой заряд. Часть заряда емкости Сл перетекает в емкость С3, и напряжения на них выравниваются. Потенциал ЛЗС снижается на величину АП, которая и является сигналом, поступающим на усилитель считывания. При считывании единицы, напротив, напряжение на С3 составляло вначале величину Ucc и превышало напряжение на ЛЗС. При подключении С3 к ЛЗС часть заряда стекает с запоминающей емкости в Сл и напряжение на ЛЗС увеличивается на At/. Временные диаграммы при считывании нуля и единицы показаны на рис. 11.55.

Определим величину AU. Для считывания нуля справедливы следующие рассуждения.

До выборки ЭП емкость ЛЗС Сл имела заряд

После выборки ЭП этот же заряд имеет суммарная емкость Сл + С3 и можно записать следующее соотношение:

Приравнивая выражения (11.2) и (11.3) для одного и того же значения заряда Q, получим соотношение

из которого следует выражение

Временное диаграммы при считывании данных в динамическом ОЗУ

Рис. 11.55. Временное диаграммы при считывании данных в динамическом ОЗУ

В силу неравенства С3 « Сл сигнал АП оказывается слабым. Кроме того, считывание является разрушающим — подключение запоминающей емкости С3 к ЛЗС изменяет ее заряд.

Мерами преодоления отмеченных недостатков служат способы увеличения емкости С3 (без увеличения площади ЭП), уменьшения емкости ЛЗС Сл и применение усилителей-регенераторов для считывания данных.

Увеличение С3 можно достичь применением нового диэлектрика (диоксида титана ТЮ2), имеющего диэлектрическую постоянную в 20 раз большую, чем Si02. Это позволяет при той же емкости сократить площадь ЭП почти в 20 раз или увеличить С3 даже при уменьшении ее площади. Имеются и варианты с введением в ЭП токоусиливающих структур, что также эквивалентно увеличению емкости С3 ЭП.

Уменьшения емкости ЛЗС достигается «разрезанием» этой линии на две половины с включением дифференциального усилителя считывания в разрыв между половинами ЛЗС. Очевидно, что такой прием вдвое уменьшает емкость линий, к которым подключаются запоминающие емкости, т.е. вдвое увеличивает сигнал ДU.

На рис. 11.56 показаны внешняя организация и временные диаграммы динамического ОЗУ.

Циклы обращения к ЗУ начинаются сигналом RAS и запаздывающим относительно него сигналом CAS. Отрицательным фронтам этих сигналов соответствуют области подачи на адресные линии ЗУ полуадресов, адресующих строки и столбцы матрицы соответственно. Согласно указанию выполняемой операции (сигналу R/W) либо вырабатываются выходные данные DO, либо принимаются входные данные DI. В циклах регенерации подаются только импульсные сигналы RAS и адреса строк. Области безразличных значений сигналов на рисунке заштрихованы.

Пример внешней организации (а) и временное диаграммы (б)

Рис. 11.56. Пример внешней организации (а) и временное диаграммы (б)

динамического ОЗУ

К динамическим ОЗУ относятся, например, ИМС: КР565РУ5, КР565РУ7. Условные графические обозначения некоторых ИМС ОЗУ приведены на рис. 11.57.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >