Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

многократное повторное программирование.

Одним из типов таких ПЗУ являются постоянные запоминаю-

щие устройства с возможностью стирания ранее записанной ин-

формации путём облучения ультрафиолетовым излучением. Такие

микросхемы выполняются по ЛИПЗМОП-технологии, которая рас-

шифровывается как лавиноинжекционные МОП – транзисторы с

плавающим затвором.

На рис. 4.52 приведена схема и топологическая структура

ячейки памяти таких ПЗУ на один бит.

Рис. 4.52. Схема и топологическая структура ячейки памяти ЛИПЗМОП

ПЗУ на один бит

Схема представляет собой МОП-транзистор с двумя поли-

кремниевыми затворами, расположенный на пересечении линии

выборки строки (ЛВС) и выходной линии. Управляющий затвор этого

транзистора подключен к ЛВС, сток - к источнику питания Uип, исток

- к выходной линии.

Запрограммированная информация хранится в виде заряда на

втором, полностью изолированном (плавающем) затворе МОП -

транзистора. Запись информации выполняется посредством лавин-

ной инжекции электронов из подложки через изолирующий оксид

под действием высокого напряжения, подаваемого в этом режиме

на сток транзистора. В результате инжекции на плавающем затворе

накапливается электрический заряд, что смещает порог открывания

транзистора по управляющему затвору в сторону больших напряже-

120

121

ний. Считывание информации осуществляется подачей соответст-

вующего напряжения на ЛВС и, следовательно, на управляющий за-

твор. Если напряжение, приложенное к управляющему затвору

(близкое к напряжению питания), превышает пороговое напряжение

отпирания транзистора, он переходит в проводящее состояние, т.е.

на выходной линии будет уровень логической единицы. Если на-

пряжение на затворе меньше порогового, то выбранный транзистор

проводить ток не будет (на выходной линии уровень логического ну-

ля).

При необходимости в перепрограммировании предварительно

записанную информацию стирают ультрафиолетовым излучением

через прозрачное кварцевое окошко на поверхности корпуса микро-

схемы. Падающие на схему ультрафиолетовые лучи увеличивают

энергию электронов плавающего затвора до такого уровня, при ко-

тором они могут преодолеть потенциальный энергетический барьер

между плавающим затвором и оксидом изоляции, вследствие чего и

покидают зону плавающего затвора. Время стирания ранее запи-

санной информации составляет 20…30 мин, при этом микросхему

помещают в специальное устройство. Поскольку для стирания мик-

росхему необходимо извлекать из печатной платы, то при монтаже

устройства предусматривают специальные разъёмы (кроватки) для

микросхем.

Время хранения информации (заряда на плавающем затворе)

в таких ПЗУ составляет десять лет и более. Однако долговечность

таких микросхем не очень высока и составляет не более 100…1000

циклов стирания - программирования. ПЗУ данного типа входят в

состав серии 573 (рис. 4.53) и имеют условное обозначение РФ. Вы-

пускаются микросхемы от РФ1 до РФ14.

При изображении ПЗУ данного типа на принципиальных элек-

трических схемах в среднем поле ставится обозначение EPROM

(Erasable Programmable Read Only Memory – стираемая программи-

руемая память только для считывания).

Рис. 4.53. Условное изображение микросхем серии 573

4.7.5. ПЗУ, многократно программируемые потребителем с

электрическим стиранием информации

Недостаток ЛИПЗМОП ПЗУ, связанный с необходимостью при-

менять облучение ультрафиолетовым излучением микросхемы при

стирании информации, отсутствует в так называемых электрически

стираемых программируемых ПЗУ. В них как программирование, так

и стирание информации осуществляются электрическим путем.

Схема ячейки памяти ПЗУ с электрической записью и стирани-

ем информации приведена на рис. 4.54, где VТ1 – адресный p-

канальный транзистор МОП-типа, а VТ2 – запоминающий транзи-

стор МНОП-типа (транзистор с комбинированной нитридно-оксидной

изоляцией). На рисунке также показана структура транзистора VТ2.

Рис. 4.54 Структура транзистора VT2 и схема ячейки памяти ПЗУ с элек-

трической записью и стиранием

122

123

От структуры обычного n-канального транзистора МОП-типа

структура транзистора МНОП-типа отличается лишь методом изо-

ляции затвора. В рассматриваемом приборе металлический затвор

изолирован от кремния с проводимостью n-типа двумя диэлектри-

ческими слоями: первый из них – слой нитрида кремния толщиной в

несколько десятков нанометров, второй – слой диоксида кремния

толщиной менее 3 нм.

Запись информации осуществляется подачей на затвор «З» транзи-

стора некоторого положительного напряжения Uз. Подача положи-

тельного напряжения, достигающего определенного критического

значения, приводит к возникновению на границе слоев нитрида и

диоксида кремния заряда, который снижает пороговое напряжение

до Uпор.н. При подаче на затвор отрицательного напряжения того

же значения восстанавливается начальное (высокое) пороговое на-

пряжение транзистора Unop.в.

Накопление заряда объясняется различной плотностью тока в

нитриде и оксиде кремния в момент приложения к затвору «3» на-

пряжения, которое первоначально разделится между слоями в со-

ответствии с их диэлектрическими постоянными. На границе между

диэлектриками возникает заряд, который зависит от толщины ди-

электрических слоев, а также амплитуды и длительности импульса

напряжения. Сохранение заряда определяется потенциальными ло-

вушками на границе диэлектрических слоев. При заземленных вы-

водах истока и стока переключение транзистора из одного состоя-

ния в другое, отличающиеся одно от другого значением порогового

напряжения, происходит в результате подачи на его затвор «З» в

течение времени около 1 мс напряжения Uз = 28 В. При этом под

действием отрицательного напряжения Uз = -28 В устанавливается

состояние с высоким пороговым напряжением Unop.в. =15 В, а при

Uз = +28 В – состояние с низким пороговым напряжением Uпор.н. =

3 В. Для считывания информации на затвор транзистора подается

напряжение считывания Uз.сч., причем Uпор.н. < Uз.сч. < Unop.в.

Таким образом, если подать Uз.сч. = - 3…5 В, то ячейка памяти, в

которой записан логический ноль, перейдет в состояние проводимо-

сти, а ячейка памяти, находившийся в состоянии логической едини-

цы, проводить не будет.

Благодаря такому построению в таких ПЗУ можно не только

производить полное стирание ранее записанной информации, но и

осуществлять выборочное стирание информации из определённых

ячеек памяти. Причём обе эти операции можно осуществлять, не

извлекая микросхему из устройства.

Такие ПЗУ используются, например, в автоответчиках для за-

писи сообщений, которые даёт телефон при ответе на звонок, в

различных FLASH – накопителях, висящих на шнурках или находя-

щихся в карманах у многих компьютерщиков, во FLASH – плейерах,

работающих без кассет, и наконец в сотовых телефонах. В компью-

терных системах на таких ПЗУ реализовывается BIOS, хранящий

все настройки.

Что касается микросхем широкого применения, то ПЗУ данного

типа входят в состав серий 558 и 1601 и имеют буквенный индекс

РР.

4.8. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ

Разновидностью ПЗУ являются программируемые пережига-

нием нихромовых перемычек программируемые логические матри-

цы (ПЛМ), выполняемые по ТТЛШ – технологии.

Структурная схема ПЛМ (рис. 4.55) состоит из двух програм-

мируемых матриц, матрицы «И» и матрицы «ИЛИ».

Рис. 4.55. Структурная схема ПЛМ

Можно заметить очевидную связь между ПЛМ и ПЗУ, однако, в

ПЗУ вместо матрицы «И» используется дешифратор n x 2

и матри-

124

125

ца «монтажное ИЛИ» 2

x k. В ПЛМ m<<2

и вместо минтермов, соз-

даваемых в ПЗУ дешифратором, в результате программирования

матрицы «И» реализуются конъюнктивные термы Т

i,j

(ν), где

ν=(X

, …, Х

n-1

Таким образом, можно сказать, что ПЗУ реализуют произволь-

ную логическую функцию, заданную в виде таблицы истинности, а

ПЛМ – минимизированную логическую функцию. Из рисунка следу-

ет, что ПЛМ характеризуется тройкой чисел n, m и k (n – число логи-

ческих переменных Х, m – число реализуемых произведений Т, k –

число выходов (реализуемых функций).

Так в чём же преимущества и недостатки ПЛМ по сравнению с

ПЗУ?

Поскольку в ПЗУ используется дешифратор, то количество его

выходов равно 2

(n – количество входов дешифратора, а, значит, и

ПЗУ). Благодаря этому существует какой-либо выход дешифратора,

соответствующий любому минтерму поданному на вход ПЗУ. Други-

ми словами, используя ПЗУ, мы можем получить комбинацию дво-

ичного числа на его выходе, соответствующую произвольному мин-

терму от заданного числа переменных (входов ПЗУ). Этот факт,

безусловно, является большим преимуществом ПЗУ. Но он же яв-

ляется и его недостатком. Дело в том, что реализовать на одном

кристалле дешифратор для большого количества входов представ-

ляется неразрешимой задачей (например, при количестве входов

равном 10 количество выходов должно быть 1024). Именно поэтому

ПЗУ с большим количеством входов не выпускается, т.е. количество

переменных, с которыми работает ПЗУ, небольшое. Поэтому очень

часто требуется аппаратное усложнение логического автомата пу-

тём использования нескольких ПЗУ именно из-за ограниченного ко-

личества входов.

Однако ситуации, когда используются все возможные комби-

нации переменных, крайне редки, т.е. возможности ПЗУ использу-

ются не полностью. Представьте себе, что на входы ПЗУ подаются

сигналы от датчиков, сигнализирующих о состоянии технологическо-

го процесса. Наверняка многие комбинации состояния датчиков су-

ществовать просто не могут, или если они и существуют, то не

представляют никакого интереса с точки зрения управления данным

технологическим процессом (вспомните о «неопределённых усло-

виях»).

Именно для таких ситуаций и были разработаны ПЛМ. Количе-

ство входов у этих микросхем больше, чем количество входов у

ПЗУ, но поскольку количество выходов у матрицы «И» намного

меньше, чем 2

, то реализовать можно не все возможные минтермы

(а нам это в большинстве случаев и не надо). Зато при таком боль-

шом количестве входов мы можем значительно аппаратно упро-

стить синтезируемый логический автомат.

Таким образом, преимущество ПЛМ заключается в большом

количестве входов (что отсутствует у ПЗУ), а недостаток – в невоз-

можности реализации всех функций от переменных поданных на эти

входы.

Микросхемы ПЛМ не выпускаются в отдельных сериях, они

входят в серию 556 (микросхема КР556РТ1 – выходы с открытым

коллектором и КР556РТ2 – выходы с Z – состояниями; обе микро-

схемы имеют характеристики n=16, m=48, k=8.), а также в серии

1515 и 1520, построенные на полевых транзисторах.

На рис. 4.56 представлена логическая структура ПЛМ серии

556.

126

На входе ПЛМ установлены буферы, формирующие сигналы

Хр и

(т.е. оба первичных терма). Каждый логический элемент

«И», входящий в одноимённую матрицу, имеет по 32 входа, каждый

из которых плавкой перемычкой соединен с одним из первичных

термов . Пережигая при программировании перемычки, на выхо-

де каждого логического элемента можно получить любой терм, в

том числе и минтерм, как в ПЗУ. Логические элементы «ИЛИ», вхо-

дящие в матрицу с тем же названием, имеют по 48 входов. Таким

образом, на выходах логической матрицы «ИЛИ» функции реализу-

ются в виде суммы произведений

,T&aF

qij

∨=

где a

– плавкая перемычка (a

= 0, если перемычка пережжена), Т

– номер выхода матрицы «ИЛИ» (выхода ПЛМ), q — номер терма.

На выходах матрицы «ИЛИ» установлены элементы «Исклю-

чающее ИЛИ», один из входов которых через плавкую перемычку

соединён с общим проводом, что позволяет инвертировать функции

. Из рисунка видно, что до программирования все T

= 0 и все F

0. Сигнал СЕ=1выключает ПЛМ, т. е. На всех выходах F

он устанав-

ливает высокий логический уровень.

Рис. 4.56. Логическая структура ПЛМ серии 556

Для того чтобы отличать ПЛМ от ПЗУ при изображении прин-

ципиальных электрических схем, в среднем поле условного графи-

ческого обозначения пишется PLM (рис. 4.57).

127

Рис. 4.57. Условное обозначение ПЛМ

4.9. НОМЕНКЛАТУРА ПЗУ И ПЛМ

Для облегчения подбора ПЗУ и ПЛМ при выполнении курсовых

работ и проектов приведём номенклатуру данных микросхем, вы-

пускаемых отечественной радиоэлектронной промышленностью.

Номенклатура ПЗУ и ПЛМ представлена в табл. 4.8.

Таблица 4.8

128

№

п/п

Тип

микросхемы

Техно-

логия

изго-

товле-

ния

Ёмкость,

бит

(организа-

ция)

Вре-

мя

вы-

бор-

ки

нс

Ток потребления мА

(тип выхода, время

хранения при отклю-

чённом питании)

1 2 3 4 5 6

ПЗУ однократно программируемые пережиганием

1 К556РТ4 ТТЛШ 1к(256х4) 70 130(откр. коллект.)

2 К556РТ5 ТТЛШ 4к(512х8) 70 190

3 К556РТ6 ТТЛШ 16к(2кх8) 100 185

4 К556РТ7 ТТЛШ 16к(2кх8) 100 185

5 КР556РТ11 ТТЛШ 1к(256х8) 45 130

6 КР556РТ12 ТТЛШ 4к(1кх4) 60 140

7 КР556РТ13 ТТЛШ 4к(1кх4) 60 140

8 КР556РТ14 ТТЛШ 8к(2кх4) 60 140

9 КР556РТ15 ТТЛШ 8к(2кх4) 60 140

10 КР556РТ17 ТТЛШ 4к(512х8) 50 175

11 КР556РТ18 ТТЛШ 16к(2кх8) 60 180 (Z-состояние)

12 КМ1608РТ1 ТТЛШ 256(32х8) 35 115 (Z-состояние)

13 КМ1608РТ2 ТТЛШ 4к(512х8) 35 185 (Z-состояние)

14 К1500РТ416 ЭСЛ 1к(256х4) 20 140 (открыт. эмит.)

129

Продолжение табл. 4.8

1 2 3 4 5 6

Программируемые логические матрицы

1 К556РТ1 ТТЛШ 50 180 (открыт. кол-

лект)

2 КР556РТ1 ТТЛШ 70 170 (открыт. кол-

лект)

3 КР556РТ2 ТТЛШ

16–

входов

48–

конъкций

8–

дизъюнк-

ций

80 180 (Z-состояние)

4 КР556РТ3 ТТЛШ 60 185

5 1515ХМ1 КМОП 6 0,5

6 К1520ХМ1 nМОП 6 0,5

7 К1520ХМ2 nМОП

Много-

функцио-

нальная

матрица

6 0,5

Многократно программируемые ПЗУ с электрическим стиранием

информации

1 КР558РР1 рМНОП 2к(256х8) 500 20 (3000)

2 558РР1 nМНОП 2к(256х8) 220 15 (3000)

3 КР558РР2а nМНОП 16к(2кх8) 350 120 (5000)

4 КР558РР3 nМНОП 64к(8кх8) 430 80 (15000)

5 КР1601РР1 рМНОП 4к(1кх4) 1700 30 (5000)

6 КР1601РР3 рМНОП 16к(2кх8) 600 40 (3000)

Многократно программируемые ПЗУ со стиранием записанной

информации ультрафиолетовым излучением

1 К573РФ1 8к(1кх8) 450 130 (100000)

2 К573РФ2 16к(2кх8) 450 90 (100000)

3 К573РФ3 64к(4кх16) 400 85 (150000)

4 К573РФ4а 64к(8кх8) 300 70 (100000)

5 К573РФ5 16к(2кх8) 450 100 (150000)

6 К573РФ6а 64к(8кх8) 300 120 (43000)

7 К573РФ8а 256к(32кх8) 350 100 (25000)

8 К573РФ81а

nЛИП-

ЗМОП

128к(16кх8) 350 100 (25000)