7.2. ЗАПОМИНАЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОЗУ

Запоминающие элементы статических ОЗУ обычно выполняют на основе триггера, хранящего информацию либо , либо «1», и элементов, позволяющих выполнять операции записи-считывания.

ЗЭ на биполярных транзисторах. В качестве ЗЭ статический триггер на двух многоэмиттерных транзисторах (рис. 7.4,а). Информационные эмиттеры транзиеторов соединены с разрядными шинами записи-считывания .

Последние соединены в усилителями записи-считывания . Адресные амиттеры и соединены соответственно с адресными шинами .

Информация в ЗЭ записывается следующим образом. Вначале выбирается ЗЭ подачей в адресные шины положительных потенциалов , соответствующих логической «1».

Рис. 7.4.

При этом адресные эмиттеры заперты (рис. ). Затем при записи в ЗЭ на вход усилителя записи подается логическая «1», а на вход усилителя подается логический «0». При этом с усилителя записи на подключенную к иему разрядную шину подается потенциал логического «0», а на другую с невозбужденного усилителя подается потенциал, равный «1,5 В. Если до записи триггер находился в состоянии открыт, закрыт), то подача низкого потенциала на эмиттер не меняет состояние триггера.

Если до записи триггер находился в состоянии «1» ( закрыт, открыт), то при подаче низкого потенциала на эмиттер открывается транзистор закрывается, и триггер устанавливается в состояние .

В режиме хранения (ЗЭ не выбран) на шинах и на входах , — потенциал логического . При этом информационные эмиттеры и 321 заперты, так на них подается потенциал с коллектора транзистора через диод , а эмиттериый ток открытого транзистора замыкается на землю через адресные шины .

Рис. 7.5.

В режиме считывания (ЗЭ выбран) на адресные шины подается потенциал логической «1», а на входы потенциал логического . Поэтому адресные эмиттеры 312 и 31а, и 322 заперты, а коллекторный ток открытого транзистора течет через информационный эмиттер и проходит в базовую цепь входного транзистора усилителя считывания . При этом выходной транзистор открывается, и на выходе усилителя считывания появляется логический (рис. 7.4, б). Считывание происходит без разрушения информации. Хранимая в ЗЭ информация доступна для считывания все время, пока ЗЭ находится в выбранном состоянии и в него не производится запись. Для повышения быстродействия ЗЭ в триггере применяют диоды Шоттки в цепях нелинейной отрицательной обратной связи, которые предотвращают переход транзисторов в режим насыщения.

Дальнейшее увеличение быстродействия ЗЭ возможно на основе ЭСЛ-структур, в которых исключен насыщенный режим транзисторов. ЗЭ на ЭСЛ-структур имеют следующие достоинства: стабильный порог переключения; уменьшенные перепады напряжений при заряде и разряде нагрузки. Перечисленные достоинства достигаются за счет увеличения потребляемой мощности и ухудшения помехоустойчивости.

В схеме ЗЭ ЭСЛ-типа (рис. 7.5,а) генератор тока на транзисторе поддерживает постоянным ток через резистор . В режиме хранения напряжение на адресной шине ЛШ имеет низкий уровень (рис. ), что позволяет снизить потребляемую мощность в невыбранных ЗЭ накопителя. ЗЭ отключен от схем управления благодаря высоким уровням на разрядных шинах РШО, . Триггер на находится в одном из устойчивых состояний.

При выборе ЗЭ в режимах считывания и записи напряжение на АШ повышается. В режиме считывания потенциалы обеих разрядных шин одновременно изменяются и в разрядной шине, связанной с открытым транзистором или , появляется ток. По наличию тока в или определяется код хранимой в ЗЭ информации. При записи на разрядных шннах устанавливается разность потенциалов, достаточная для переключения триггера. При этом открывается транзистор (если он был закрыт), на эмиттер которого с разрядной шины подается более низкий потенциал.

ЗЭ с инжекцнонным питанием занимают существенно (в 2 — 4 раза) меньшую площадь, чем рассмотренные выше ЗЭ. Для получения быстродействия, близкого к ТТЛ-схемам, инжекционные схемы необходимо включать в режим с большой потребляемой мощностью при записи (считывании), но при этом надо снижать мощность в раза в режиме хранения.

Рис. 7.6.

На рис. 7.6 изображены схемы и Два инвертора с инжекционным питанием и перекрестными связями образуют триггер . Транзисторы выполняют роль инжекторов тока для ключевых транзисторов . Для связи с разрядными шинами используются транзисторы , работающие в нормальном (запись) или инверсном (считывание) режимах. ЗЭ очень компактен, благодаря отсутствию резисторов. Ключевые транзисторы работают в инверсном режиме. Базовые токи этих транзисторов определяются инжекцией избыточных носителей из центральной области инжектора . При симметричной структуре оба тока равны. Чтобы схема имела два устойчивых состояния, инверсные коэффициенты усиления по току -транзисторов должны быть больше единицы. В рабочем состоянии смещен в прямом направлении, часть инжектируемых им носителей достигает областей , вызывая появление базовых токов в . Триггерная схема принимает одно из устойчивых состояний. Пусть открыт, закрыт. Носители через прямо смещенный (рис. 7.6,б) инжектируются в область причем часть из них достигает области вызывая появление считываемого усилителя. В процессе записи отключается источник питания от инжектора , и врбласть подается импульс тока записи. Часть инжектируемых переходом доходит до области (база выключенного ) и открывает , через который разряжается емкость перехода эмиттер — база включенного .

Через некоторое время импульо записи заканчивается, и фиксируется новое состояние подключением питания к инжектору .

-структуры технологически совместимы с обычными биполярными. Для повышения быстродействия ЗУ на -структурах разработаны модификации с применением диодов Шоттки, включенных между базой и коллектором ключевых транзисторов . Такое подключение обеспечивает шунтирование -перехода коллектор — база в режиме насыщения диодом Шоттки, имеющим меньшее напряжение отпирания в прямом направлении ( В по сравнению с В кремниевого диода), в результате чего ускоряется процесс рассасывания носителей в базе транзистора в режиме насыщения.

Рис. 7.7.

В ЗУ на основе -схем применяются дополнительные развязывающие входные -транзисторы или периферийные схемы управления накопителем на основе ТТЛ-элементов.

ЗЭ на МДП-структурах. На основе ЛЩП-структур строятся ЗУ большой и сверхбольшой информационной емкости. В зависимости от типа ЗЭ на основе МДП-сгруктур можно построить статические или динамические ЗУ. В статических ЗУ в качестве ЗЭ служит триггер на -каиальиых МДП-трзнзисторая О индуцированным каналом или КМОП-транзисторах. В динамических ЗУ информация запоминается на емкости затвора МДП-транзистора [60].

Входные схемы ЗЭ статического типа сгроят на основе инверторов с активной нагрузкой (рис. 7.7,а). Ключевой инвертор выполняется на -канальных МДП-транзисторах: нормально закрыт, а в качестве активной нагрузки служит нормально открытый транзистор , работающий в режиме генератора тока. Такая конфигурация обеспечивает высокое быстродействие, так как нагрузка всегда перезаряжается током . ного из транзисторов. Входные схемы ЗЭ статического типа имеют защиту (R и ) затвора ключевого транзистора от возможного воздействия накопленного статического электричества (достигающего несколько киловольт).

Поэтому на входе схемы имеется интегрирующая цепочка, состоящая из резистора R и барьерной емкости открытого транзистора , который открывается, когда напряжение на его стоке превышает пробивное напряжение стокового -перехода, которое всегда можно сделать меньше пробивного напряжения на затворе . Одновременно интегрирующая цепочка растягивает этот процесс во времени, чтобы через транзистор не проходил большой ток, могущий вывести его из строя.

Рис.

На рис. изображена типовая схема статического ЗЭ на -канальных МДП-транзисторах с индуцированным каналом. ЗЭ состоит из четырех транзисторов, два из которых образуют триггер, а два других являются двунаправленными ключами ввода-вывода данных. В качестве нагрузочных транзисторов используются МДП-транзисторы со встроенным каналом, у которых затвор транзистора подключен к его истоку. При этом нагрузочная емкость заряжается через МДП-транзистор обедненного типа, работающий при таком включении в режиме насыщения с постоянной нагрузкой, т. е. в режиме генератора тока.

В режиме хранения закрыты, в режимах записи и считывания эти транзисторы открыты (рис. 7.7,в). Перед считыванием информации из ЗЭ на обе разрядные шины подается потенциал источника питания. В режиме считывания начинается разряд паразитной емкости разрядной шины, которая связана о открытым транзистором или . После установления разности потенциалов на РШО, , достаточной для различения состояния ЗЭ, информация считывается усилителем и поступает на выходные каскады. В режиме записи на РШО, устанавливаются разноименные уровни напряжений.

Основной недостаток ЗЭ на МДП-транзисторах — потребление тока в режиме хранения, так как всегда один из ключевых транзисторов в триггере находится в открытом состоянии. Для уменьшения потребляемой мощности необходимо увеличить сопротивление нагрузки, но это приводит к снижению быстродействия. Поэтому используют схемы на КМДП-транзисторах, Где ток в режиме хранения почти отсутствует, а потребляется только в момент переключения.

В состав ЗЭ (рис. 7.8,а) входит триггер на двух КМДП-инверторах и два двунаправленных ключа (VT1 и ).

В режиме хранения VT1 и закрыты. Перед считыванием на РШО, устанавливается нулевой потенциал (рис. ). Затем потенциал на АШ снижается до нуля, открываются ключи . При хранении логической «1» закрыты, открыты) начнется заряд паразитной емкости . Потенциал РШО не изменяется, поскольку она связана с открытым плечом триггера. После увеличения напряжения на до порога срабатывания усилителя считывания, подключенного к этой шине, информация с усилителя поступает на последующие каскады схемы вывода данных. Записывается информация в ЗЭ при открытых VT1 и и разноименных уровнях напряжений на РШО и .

Рис. 7.9.

В динамических ЗЭ информация хранится в виде заряда на емкости. Поскольку сопротивление закрытого МДП-транзистора составляет Ом и входное сопротивление затвора превышает Ом, заряд на емкости затвора может сохраняться доли секунд. Наличие утечки в структуре требует периодического восстановления заряда (регенерации). Чем больше ток утечки в схеме, тем выше должна быть частота регенерации. Известны различные модификации ЗЭ динамических ЗУ [40; 60], отличающихся количеством транзисторов, числом и функциональным назначением общих шин, быстродействием, мощностью потребления и площадью, занимаемой на кристалле.

Для построения динамических ЗУ информационной емкостью 1—4 Кбит применяют схему трехтранзисторного ЗЭ с раздельными адресными и разрядными шинами считывания и записи (рис. 7.9,а). Транзистор служит для записи информации путем заряда конденсатора С от потенциала разрядной шипы записи РШЗП, а транзистор — для связи информационного транзистора с разрядной шииой считывания РШСЧ. При считывании информации на РШСЧ предварительно устанавливается высокий уровень напряжения (рис. ), после чего импульсом выборки с АШСЧ открывается транзистор . Если в ЗЭ хранится «1» (конденсатор С заряжен, транзистор открыт), то по цепи — общая шина протекает импульсный ток, регистрируемый усилителем считывания как «1». Если в ЗЭ хранится «0» (конденсатор С разряжен и транзистор закрыт), то ток в цепи общая шииа отсутствует, что воспринимается усилителем считывания как «0». Достоинство этой схемы ЗЭ в том, что при считывании информации не происходит ее разрушения.

Однако вследствие утечек заряда с конденсатора С, обусловливаемых током обратно смещенного перехода транзистора , его необходимо периодически регенерировать. Регенерация хранимой информации осуществляется путем введения дополнительного режима перезаписи.

Для создания динамических ЗУ информационной емкостью Кбит применяют схему однотранзисторного ЗЭ (рис. 7.10,а). Запоминание «1» отождествляется с наличием отсутствием заряда на конденсаторе . Информация в ЗЭ записывается при передаче соответствующего потенциала разрядной шиной РШ через открытый транзистор VT запоминающему конденсатору .

Рис. 7.10.

В моменты считывания информации конденсатор подключается через открытый транзистор VT к РШ, имеющей паразитную емкость и заряженной до уровня Если в ЗЭ хранилась «1», то напряжение на РШ при считывании увеличивается на величину . При считывании «0» напряжение на РШ уменьшается на величину (рис. ).

Рис. 7.11.

Обычно , поэтому требуются высокочувствительные усилители считывания. Недостатком таких ЗЭ является то, что при считывании информации происходит ее разрушение, поэтому регенерация необходима как для длительного хранения информации, так и после каждого ее считывания.

Для построения динамических ЗЭ с последовательной выборкой с информационной емкостью до 64 Кбит применяют приборы с зарядовой связью (ПЗС) [40; 60; 62]. В ПЗС-элементах информация представляется зарядом подвижных носителей (логическая ) или отсутствием (логический ) в области полупроводника, расположенной под диэлектриком 1. Если к электроду 2 приложить отрицательное напряжение, то под действием электрического поля электроны уходят вглубь полупроводника (рис. 7.11,а).

В подложке, расположенной под диэлектриком, образуется обедненная область, являющаяся потенциальной ямой для неосновных носителей — дырок. Дырки, попавшие в потенциальную яму, концентрируются вблизи поверхности полупроводника, образуя положительный разряд (логическая ).

На рис. показан динамический ЗЭ на ПЗС-структуре в режимах хранения и передачи заряда (логическая ). В исходном состоянии на электрод 1 подано напряжение более отрицательное, чем на электродах 2, 3. В этом режиме заряд хранится в области полупроводника, расположенного под электродом 1 (рис. ). Если к электроду 2 (рис. 7,11,в) приложить большее отрицательное напряжение, чем на электроде , тогда под электродом 2 образуется более глубокая потенциальная яма, втягивающая дырки из первой области. В следующем такте ПЗС снова переходит в режим хранения. При этом напряжение уменьшается до до в момент, когда заряд хранится под электродом (рис. 7.11,г). Таким образом, можно передвигать заряд вдоль поверхности или хранить его в заданной области. Введение зарядов в структуру и выведение из осуществляется через -переходы, расположенные вблизи соответствующих электродов.