Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

на ПЗУ.

В соответствии с этим ПЗУ реализуют следующую логическую

функцию:

()

ν∨=

−

KDO

где ;

ν=(X1…Xn); K

()

∏

=ν

(ν) – минтермы; i = e

…e

Рис. 4.45. Базовая структура ПЗУ

В ПЗУ функции «конъюнкция» реализуются в виде функций

«монтажное ИЛИ». Поскольку функция «монтажное ИЛИ» реализу-

ется для нулевых логических уровней, то активным логическим

уровнем дешифратора адреса является нулевой логический уро-

вень, т.е. выходы дешифратора – инверсные.

4.7.2. ПЗУ, программируемые изготовителем

Это самый простой тип ПЗУ, называемый также «заказным».

Занесение программы (программирование) таких микросхем осуще-

ствляется непосредственно на заводе, где их производят.

Воспользуемся удобным моментом и кратко опишем процесс

изготовления ПЗУ и микросхем вообще.

110

111

Основой любой микросхемы является пластина кремния диа-

метром 150…300 мм, которая является так называемой «подлож-

кой», на которой потом формируются все необходимые элементы.

Первым этапом создания собственно микросхемы является форми-

рование на подложке тонкого слоя диоксида кремния. Его выращи-

вание происходит под действием высокой температуры с участием

кислорода. Затем начинается подготовка процесса, который назы-

вается фотолитографией. Тонкий слой диоксида кремния, образо-

ванного на подложке, покрывают специальным материалом, кото-

рый называется фоторезистом. Фоторезист под воздействием ульт-

рафиолетового излучения становится растворимым. К концу этого

этапа на пластине имеется уже три слоя: кремниевая подложка,

пленка диоксида кремния на ней и, наконец, фотослой, состоящий

из фоторезиста.

Теперь настает очередь фотолитографии. Этот процесс в це-

лом напоминает изготовление фотоотпечатка с пленки. Кратко опи-

шу его, если вам никогда не приходилось в собственной темной

ванной с помощью фотоувеличителя печатать фотографии (уверен,

что большинству из вас этого делать никогда не приходилось, те-

перь плёнки проявляют и фотографии делают в мастерских, а скоро

и этого не будет по причине развития цифровой фотографии). Фо-

тоувеличитель представляет собой фонарь, в котором свет направ-

ляется на лежащую внизу чистую фотобумагу через объектив, сход-

ный с объективом фотоаппарата. Между лампой увеличителя и

объективом в специальном приемнике находится проявленная фо-

топленка. Увеличенное благодаря объективу изображение на фото-

пленке попадает на бумагу, на которой в течение нескольких секунд

происходит экспозиция. На пленке может находиться любое изо-

бражение, в том числе и схема какого-нибудь электронного устрой-

ства, которое и отпечатается на бумаге. В этом случае фотопленку

можно назвать маской, в соответствии с которой и появится изобра-

жение схемы на бумаге.

Процесс фотолитографии можно описать примерно теми же

112

словами. Ультрафиолетовое излучение проходит через специаль-

ную маску, которая выполняет функцию шаблона и формирует на

слое фоторезиста рисунок схемы. Засвеченные участки, как уже

было сказано, становятся растворимыми: при экспонировании фо-

тоактивное соединение нафтохинондиазид, составляющее главный

ингредиент фоторезиста, превращается в инденкарбоновую кисло-

ту. Затем диск подвергается воздействию специального щелочного

реактива, называемого растворителем. Под действием этого реак-

тива подвергшиеся воздействию ультрафиолета участки фотослоя

полностью удаляются, обнажая фрагменты нижнего слоя диоксида

кремния. И тогда начинается еще один процесс - травление откры-

тых участков диоксида кремния, в результате которого обнажается

нижний слой, кремниевая подложка.

После завершения травления у нас имеется кремниевая под-

ложка с нанесенным на ней диоксидом кремния рисунком схемы.

Правда, пока эти линии из диоксида кремния покрыты фоторези-

стом, поэтому выполняется еще один химический процесс, служа-

щий для удаления остатков фоторезиста. И вот теперь расположен-

ный в виде сложного узора слой диоксида кремния представляет

собой нечто вроде вырезанной литейной формы.

После этого диск подвергают ионной имплантации, т. е. бом-

бардировке ионами. Ионы проникают в непокрытые диоксидом

кремния фрагменты подложки, меняя электропроводность указан-

ных областей. Исходная полупроводниковая подложка имеет про-

водимость р-типа, а с помощью ионной имплантации на ней форми-

руются зоны n-типа.

Это общий технологический процесс изготовления микросхем.

При производстве ПЗУ осуществляют так называемую металлиза-

цию определённых участков рисунка, делая соответствующие про-

межутки в схеме, сформированной на подложке, проводящими или

непроводящими (вернее, только проводящими).

Сам процесс изготовления маски очень дорогостоящий, но с

помощью одной маски можно запрограммировать любое количество

модулей памяти, поэтому изготовление ПЗУ данного типа рента-

бельно только при крупносерийном производстве, тогда стоимость

изготовления маски распределяется на весь тираж микросхем. Та-

ким образом изготавливаются, например, контроллеры клавиатуры

и пультов управления телевизоров, видеомагнитофонов и т.п., мик-

росхемы калькуляторов, устройств, играющих музыку и многие дру-

гие устройства.

В базовую структуру ПЗУ входят элементы ИЛИ, функцию ко-

торых при ТТЛ - технологии выполняют диодные элементы И от ин-

версных сигналов на выходах дешифратора, что в соответствии с

законом де Моргана соответствует операции ИЛИ-НЕ от неинверти-

рованных выходных сигналов дешифратора (рис. 4.46). На каждый

бит в каждом слове приходится один диод.

Рис. 4.46. Базовая схема ПЗУ ТТЛ - технологии

Чтобы запрограммировать логический нуль в некотором бите,

нужно установить перемычку (металлизировать промежуток); в про-

тивном случае значение бита будет равно логической единице. Дей-

ствительно, поскольку общая линия данных в столбце нормально

имеет высокий потенциал, и этот потенциал может стать низким

113

только за счет линии выборки строки. Если перемычка к диоду в вы-

бранной строке отсутствует, то общая линия сохранит высокий по-

тенциал, соответствующий логической единице на выходе. Если же

перемычка установлена, то общая линия будет иметь низкий потен-

циал, соответствующий уровню логического нуля на выходе.

ПЗУ, программируемые изготовителем, выполненные по КМОП

- технологии отличаются от ПЗУ выполненных по ТТЛ – технологии,

тем, что операция ИЛИ-НЕ над выходными сигналами дешифратора

производится с помощью нормально закрытых МОП-транзисторов с

индуцированным каналом n-типа (рис. 4.47).

Рис. 4.47. Базовая схема ПЗУ КМОП технологии

Промежутки располагаются в цепи истока каждого транзисто-

ра. Поскольку сам транзистор выполняет функцию инверсии над ло-

гическим уровнем линии выборки строки, то активным логическим

уровнем выходов дешифратора адреса является логическая едини-

ца.

4.7.3. ПЗУ, однократно программируемые

потребителем путём прожигания

В случае, когда количество микросхем ПЗУ, используемых в

114

логическом автомате не очень большое (что практически всегда

имеет место в случае автоматизации технологических процессов),

использовать «заказные» микросхемы слишком дорого из-за малого

тиража.

В этом случае используют микросхемы ПЗУ, которые можно

самостоятельно запрограммировать. Конечно, стоимость таких мик-

росхем достаточно высокая из-за сложности внутренней структуры,

но всё же значительно ниже, чем стоимость «заказных» при малом

тираже изготовления. Программирование таких ПЗУ осуществляют

с помощью специальных устройств, называемых «программатора-

ми», путём пережигания внутренних перемычек, выполняемых из

нихрома или поликремния.

ПЗУ данного типа называются памятью типа PROM

(Programmable Read Only Memory – программируемая память только

для считывания).

Простейшая базовая схема такого ПЗУ состоит из дешифрато-

ра nx2

и схемы ИЛИ, к входам которой через плавкие перемычки a

подключены все выходы дешифратора (рис. 4.48).

Рис. 4.48. Базовая схема ПЗУ, программируемого потребителем путём

прожигания

Из базовой схемы следует, что такие ПЗУ реализуют следую-

щую логическую функцию:

()

ν⋅∨=

−

KaDO

где ν=(X

…X

); Ki(ν) – минтермы; i = e

…e

115

Выходы ПЗУ всегда выполняются с открытым коллектором или

с тремя состояниями для наращивания объема памяти. Сигнал Е

(иногда обозначается V) используется для включения и выключения

ПЗУ (D0 = 1 при Е = 0 — ПЗУ выключено). Объем памяти ПЗУ опре-

деляется числом адресных входов Хр и числом параллельных вы-

ходов D0j. Объем памяти ПЗУ равен 2

x m, если р=1...n и j =1...m.

Для пережигания плавких перемычек ПЗУ должно содержать

элемент управления программированием. Многовыходные ПЗУ

строятся на основе многоэмиттерных транзисторов. На рис. 4.48 по-

казаны схемы ИЛИ и формирователи для ПЗУ с двумя выходами.

Формирователь «Ф» состоит из выходного каскада с открытым кол-

лектором VT2 и элемента управления программированием, в каче-

стве которого используются стабилитрон VD и транзистор VT1. На

рис. 4.49 показаны временные диаграммы работы ПЗУ в режиме

программирования.

Рис. 4.49. Временные диаграммы программирования ПЗУ

При программировании выходы DO являются входами, на ко-

торые подается через резистор R =300...620 Ом напряжение

и.п2

=12,5 В для пробоя стабилитрона VD и открывания транзистора

VT1. Понятно, что повышенное значение напряжения U

и.п2

должно

подаваться в том случае, если требуется пережечь плавкую пере-

мычку. Сигнал

=0 подключает выбранный адресными сигналами

Хр выход дешифратора K

к базе многоэмиттерного транзистора.

116

Сигнал

=0 должен подаваться только после пробоя стабилитрона

(пробой самовосстанавливающийся), что приводит к закорачиванию

перемычки «a

» на корпус через транзистор VT1. Заранее поданное

напряжение U

и.п1

= +12,5 В обеспечивает достаточный для пережи-

гания перемычки ток.

Как уже отмечалось, ПЗУ программируют на специальных ус-

тановках полуавтоматического и автоматического типов, в которых

предварительно откорректированная программа записи переносит-

ся в «память». Как правило, данные устройства работают совместно

с компьютером. Преимущество такого способа программирования

заключается в том, что саму программу можно написать на «языке»

высокого уровня, а недостаток заключается в необходимости при-

обретения программатора. Когда нет необходимости программиро-

вания большого количества микросхем, наиболее пригодна установ-

ка ручного типа, одна из возможных схем которой представлена на

рис. 4.50.

Рис. 4.50. Программатор ПЗУ

Программирование ведется последовательно по каждому

входному двоичному коду и каждому выходному разряду. Адрес

входного двоичного кода устанавливают переключателями S1…S5,

117

118

а выбор выходного разряда — S7. На элементах D1.1 и D1.2 собран

генератор одиночных прямоугольных импульсов длительностью

50...100мс. Согласно инструкции по программированию микросхем

ПЗУ одиночный программирующий импульс амплитудой 10...12,5 В

должен подаваться на выход программируемого разряда и на вывод

питания, зашунтированный конденсатором емкостью 10...15 мкФ.

Длительность фронта импульса не должна превышать 1 мкс. Чтобы

обеспечить это требование, в устройство введен усилитель на тран-

зисторах V6…V9 с фильтром на конденсаторе С4. На выход про-

граммируемого разряда импульс поступает через резистор R8 и ди-

од V2, а на вывод питания — через диод V5. На элементах V1, V3,

R7 выполнен узел контроля программирования. Если светодиод V3

не горит, то это свидетельствует об отсутствии записи информации

в соответствующей ячейке ПЗУ.

При нажатии на кнопку S6 на выходе элемента D1.2 появляет-

ся уровень логической единицы, разрешающий запись в ПЗУ.

Сформированный программирующий импульс подается на ПЗУ с

эмиттера транзистора V6. Запись контролируют после отпускания

кнопки S6. Если запись не осуществилась, следует увеличивать на-

пряжение U2 ступенями примерно по 0,5 В до уровня не более 14 В,

каждый раз производя попытку программирования. Следует отме-

тить, что согласно техническим условиям на микросхемы ПЗУ ко-

эффициент программируемости составляет не менее 30% от обще-

го числа, т.е. гарантированно программируется лишь каждая третья

микросхема. Однако в некоторых случаях можно достичь сущест-

венно большего коэффициента программирования, так как в ряде

случаев имеется избыток свободных адресных кодов и выходных

разрядов, на которые можно перейти при непрограммируемости

предварительно выбранных. Одновременно можно прожигать толь-

ко одну перемычку, поскольку в процессе программирования выде-

ляется значительное тепло, что может привести к невосстанавли-

вающемуся пробою полупроводниковых элементов микросхемы.

После программирования микросхемы ПЗУ необходимо в течение

суток выдерживать при температуре 100°С в термошкафу с подачей

напряжения питания, для предотвращения диффузионного восста-

новления перемычек. Этот процесс называется электротермотрени-

ровкой.

Сначала микросхемы PROM выпускались в составе стандарт-

ных серий интегральных микросхем. Были выпущены микросхемы

РЕ3 (РЕ21…РЕ24 являются ПЗУ, уже запрограммированными на

заводе-изготовителе для работы в устройствах отображения ин-

формации в виде русских, латинских букв, цифр и различных зна-

ков), в серии 155 и микросхема РЕ4 в серии 555, но затем прожи-

гаемые ПЗУ стали выпускать в составе серии 556 и получили бук-

венный индекс РТ (рис. 4.51). Выпускаются микросхемы от РТ1 до

РТ18.

Рис. 4.51. Некоторые микросхемы ПЗУ серии 556

4.7.4. ПЗУ, многократно программируемые потребителем со

стиранием информации ультрафиолетовым излучением

Недостатком ПЗУ, программируемых пережиганием, является

невозможность изменения записанной программы (что часто бывает

необходимо) или исправления допущенных при программировании

ошибок.

Преодолеть указанные недостатки удалось разработкой ПЗУ,

записанную информацию в которых можно стирать и осуществлять

119