Запоминающий элемент динамического озу на моп-транзисторах

Основой данного ЗЭ является n МОП-транзистор VT 1 (рис 2,а). Транзисторы VT 2 и VT 3 служат для обеспечения доступа к ЗЭ (его выбора) с помощью двух линий адреса: либо адресной линии записи , либо адресной линии считывания (рис. 2,б). Уровни логических сигналов те же, что и в предыдущем случае.

Рис. 2. Запоминающий элемент динамического ОЗУ на МОП-транзисторах: а - принципиальная схема; б - структурная схема подключения к линиям.

Возможны следующие состояния схемы:

1. запись информации обеспечивается подачей на адресную линию записи АЛ_зап логической единицы. При этом в транзисторе VT 2 образуется n -канал между стоком и истоком. Тогда потенциалы истока и стока VT 2 отличаются между собой на маленькую (порядка 0,2 В) величину падения напряжения открытого транзистора. В это же время на адресную линию считывания АЛ_сч должен подаваться сигнал логического нуля для изоляции VT 1 от разрядной линии считывания . При этом возможны два случая:
• запись "0" осуществляется подачей соответствующего, близкого к потенциалу земли, напряжения на разрядную линию записи РЛ_{зап}. Иными словами, на затвор транзистора VT 1 подается потенциал земли, при этом потенциал на затворе и истоке транзистора VT 1 одинаков, конденсатор, обкладками которого служат затвор и подложка транзистора VT 1, не заряжен. Такое состояние схемы принимается за нулевое.
• Запись "1" обеспечивается комбинацией сигналов: и . При этом VT 1 открыт, конденсатор С заряжен из-за разности потенциалов при-мерно 5 В между затвором и подложкой. Такое состояние схемы принимается за состояние логической единицы.
2. Чтение информации обеспечивается подачей на адресную линию чтения логической единицы. В этом случае -канал между стоком и истоком образуется в транзисторе VT 3. В это же время на адресную линию записи должен подаваться сигнал логического нуля для изоляции VT 1 от разрядной линии записи . Тогда в силу того, что потенциалы истока и стока транзистора VT 3 практически одинаковы, состояние на разрядной линии считывания определяется состоянием схемы в предыдущий момент времени:
• при чтении "0" конденсатор между затвором и подложкой VT 1 не заряжен. Поэтому по разрядной линии считывания протекает малый ток. При этом он преобразуется схемами обрамления в уровень логического нуля.
• При чтении "1" конденсатор между затвором и подложкой VT 1 разряжается через открытые VT 1 и VT 2. Больший ток разряда на линии преобразуется схемами обрамления в уровень логической единицы.
3. Хранение информации обеспечивается комбинацией сигналов: . При этом VT 2 и VT 3 закрыты, конденсатор между затвором и подложкой VT 1 (в идеале) заряд не изменяет.

Поскольку в действительности токи утечки в VT 1 весьма существенны, для реальной работы данного ОЗУ нужно постоянно, через определенные промежутки времени (в пределах 2 миллисекунд) подпитывать конденсатор на транзисторе VT 1, компенсируя утечку заряда. Этот процесс называется регенерацией. Осуществляется он с помощью специальных схем, которые могут быть и внешними, и внутренними для БИС ОЗУ. Поскольку любая зависимость от времени в технической литературе носит название динамической, данное ОЗУ называется динамическим. Очевидно, что при потере электропитания информация теряется.

Альтернативное пояснение

В качестве запоминающего элемента в ячейке памяти динамического ОЗУ используется конденсатор небольшой емкости (рис. 3). При записи данных происходит отпирание транзистора VT1, и через его малое сопротивление осуществляется заряд (если необходимо запомнить 1) или разряд (если запоминается 0) конденсатора С от источника входного информационного сигнала DI. В режиме хранения транзистор VT1 заперт, и конденсатор медленно разряжается через входное сопротивление VT3 и высокое выходное сопротивление транзистора VT1. Если время хранения логической 1 больше 2–4 мс, то конденсатор С необходимо периодически подзаряжать, подключая его к источнику напряжения питания (элементы схемы регенерации на рисунке не показаны). Обычно в качестве конденсатора С используется входная емкость транзистора VT3, составляющая единицы пикофарад.

Рис.3

Информация считывается при подаче логической 1 на затвор VT2. При этом транзистор VT2 открывается, и на сток транзистора VT3 подается напряжение питания. Если конденсатор С заряжен, то транзистор VT3 открывается и на выходе DO действует напряжение логического нуля. VT3 работает как транзисторный ключ, нагрузкой которого является транзистор VT2, поэтому он инвертирует входной сигнал. Если конденсатор С разряжен, то VT3 оказывается запертым и на линии DO действует логическая 1.

В DRAM требуется периодическое восстановление (регенерация) записанного состояния. В большинстве случаев современные СБИС динамической памяти имеют встроенные средства регенерации. DRAM позволяют реализовать большой объем памяти на кристалле.

См. также анимацию:

10. (2.6) Организация flash-памяти. Принцип считывания и записи информации в ячейке флэш-памяти.

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

Флэш-память исторически происходит от ROM-памяти, но функционирует подобно RAM. Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в динамической RAM. В отличие от RAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Это выгодно отличает флэш-память, однако замены памяти RAM не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10 тыс. до 1 млн для разных типов).

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5–10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков).

Основное преимущество флэш-памяти перед жесткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10–20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жестких дисках, кассетах и других механических носителях информации бóльшая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видеокамеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны и т. п.

Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью («плавающим» затвором – floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. Принцип конструирования ячеек флэш-памяти представлен на рис. 1:

Рис. 1 - Ячейка флэш-памяти

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции «горячих» электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с «плавающего» затвора) производится методом туннелирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический «0», а его отсутствие – как логическая «1».

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки подобного типа чаще всего применялись в накопителях flash-памяти, а также в микросхемах EPROM.

Поведение транзистора зависит от количества электронов на «плавающем» затворе. «Плавающий» затвор играет ту же роль, что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на «плавающий» затвор в такой ячейке производится методом инжекции «горячих» электронов (CHE – channel hot electrons), а снятие заряда осуществляется методом квантовомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim, FN).

При чтении, в отсутствие заряда на «плавающем» затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Наличие заряда на «плавающем» затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

При программировании на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими», поскольку они обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлектрика.

При стирании высокое напряжение подается на исток. На управляющий затвор (опционально) подается высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Рис. 2. Принцип считывания информации в ячейке флэш-памяти

Эффект туннелирования – один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обедненная область).

Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может – не хватает энергии. Но при создании определенных условий (соответствующее напряжение и т. п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Различия методов туннелирования Фаулера – Нордхейма (FN) и метода инжекции «горячих» электронов:

Ø Channel FN tunneling – не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHE.

Ø CHE injection (CHEI) – требует более высокого напряжения по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания.

Ø Программирование методом CHE осуществляется быстрее, чем методом FN.

Следует заметить, что кроме FN и CHE существуют другие методы программирования и стирания ячейки, которые успешно используются на практике, однако два описанных нами применяются чаще всего.

Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку флэш-памяти, поэтому в устройствах флэш-памяти помимо самой микросхемы памяти дополнительно используют специальную микросхему-контроллер, которая управляет процессом стирания-записи и обеспечивает равномерное использование различных ячеек памяти. Права, в последнее время все чаще производители устройств флэш-памяти такой контроллер не используют, что приводит к снижению надежности.

Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с «плавающим» затвором существуют также ячейки на основе SONOS-транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. SONOS-транзистор напоминает обычный МНОП (MNOS) транзистор. В SONOS-ячейках функцию «плавающего» затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO. Расшифровывается SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как Полупроводник-Диэлектрик-Нитрид-Диэлектрик-Полупроводник. Вместо давшего название этому типу ячейки нитрида в будущем планируется использовать поликристаллический кремний.

Многоуровневые ячейки

В последнее время многие компании проводят исследования микросхем флэш-памяти, в которых одна ячейка хранит не один, а два и более бит.

Такие ячейки называются многоуровневыми (в английском варианте MLC – Multi Level Cell). Флэш-память, в которой используются двухбитовые ячейки, уже анонсированы. Кроме того, уже известно, что в лабораторных условиях получены прототипы, хранящие 4 бита в одной ячейке. В настоящее время активно ведутся исследования, связанные с поиском предельного числа бит, которое способна хранить многоуровневая ячейка.

В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния – «0» или «1». Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещенного на «плавающий» затвор транзистора. В отличие от «обычной» флэш-памяти, MLC способна различать более двух величин зарядов, помещенных на «плавающий» затвор, и, соответственно, большее число состояний. При этом каждому состоянию в соответствие ставится определенная комбинация значений бит. Например, для того, чтобы емкость ячейки была равна двум битам, необходимо различать четыре уровня заряда.

Во время записи на «плавающий» затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на «плавающем» затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние, а значит и записанную последовательность бит.

Идеология построения MLC микросхем определяет их основное преимущество по сравнению с обычными микросхемами флэш-памяти: при равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе «обычной» и MLC-памяти, последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит – больше).

К основным недостаткам MLC можно отнести следующие:

Ø снижается помехоустойчивость этих ячеек и, соответственно, надежность хранения по сравнению с однобитными ячейками. Это приводит к необходимости встраивать более сложный механизм коррекции ошибок, что в свою очередь приводит к усложнению схемы;

Ø быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек;

Ø поскольку компьютерная система целиком работает с двоичными цифровыми сигналами, необходимо разработать и встроить в устройство памяти специфические схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.

 

11. (3.3) Усилители электрических сигналов. Классификация, основные характеристики усилителей. Операционные усилители.

Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого количества электрической энергии управляют энергией существенно большей, называют усилителями. Усилитель предназначен для усиления мощности электрического сигнала, что достигается за счет энергии источников питания. Усилители находят широкое применение в различных областях науки и техники. В состав усилителя входят усилительный (активный) элемент, пассивные элементы и источник питания. Назначение усилительного элемента - преобразование электрической энергии источника питания в энергию усиливаемых сигналов. Активными элементами, с помощью которых осуществляется управление энергией источников питания, чаще всего являются транзисторы.

Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования этой энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя. Пассивные элементы усилителя служат для обеспечения нужного режима работы усилительного элемента и для некоторых других целей.

Усилитель можно представить в виде четырехполюсника 2 к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3 (рисунок 1). Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов, соединяя их между собой с помощью тех или иных элементов связи; резисторов, трансформаторов и др. Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Классификация усилителей

Признаки классификации:

• Характер входного сигнала.
• Назначение.
• Режим работы нелинейного активного элемента.
• Тип активного элемента.
• Полоса усиливаемых частот.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

• Усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная.
• Усилители импульсных сигналов. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.

По назначению усилителя делятся на:

• усилители напряжения,
• усилители тока,
• усилители мощности.

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

С точки зрения выбора режима работы активного элемента различают:

• Режим слабого сигнала. Нелинейный активный элемент работает в квазилинейном режиме. Применяется в усилителях напряжения или тока.
• Режим большого сигнала. Применяется в усилителях мощности.

По типу используемых активных элементов усилители делятся на ламповые; транзисторные; диодные; параметрические; СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧ-приборов и др.

В зависимости от вида частотной передаточной характеристики усилителя и абсолютным значениям полосы частот различают:

• Усилители постоянного тока (УПТ). Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные), т.е. рабочая полоса частот начинается от нулевой частоты до некоторой верхней граничной частоты. Величина верхней граничной частоты f_в зависит от вида усиливаемых сигналов. Так, если УПТ используется в канале изображения телевизионной системы, то f_в составляет 6 - 6,5 МГц, т.е. УПТ это, как правило, широкополосный усилитель.

• Усилители низкой частоты (усилители звуковой частоты). Название условное, оно подчеркивает, что нижняя граничная частота лежит в области низких частот, несоизмеримо ниже верхней граничной частоты. Само значение верхней граничной частоты может быть разным: от единиц-десятков КГц до сотен МГц. АЧХ таких усилителей имеет вид:

• Усилители радиочастоты (полосовые усилители, усилители высокой частоты, избирательные усилители). АЧХ таких усилителей имеет вид:

Полоса частот усилителя значительно меньше средней частоты: