Постоянные запоминающие устройства
Аннотация: Рассматривается классификация ПЗУ и организация каждого типа схем.
Ключевые слова: программатор, ПЗУ
Постоянные запоминающие устройства
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для постоянного, энергонезависимого хранения информации.
По способу записи ПЗУ классифицируют [1] следующим образом:
1.    однократно программируемые маской на предприятии-изготовителе;
2.    однократно программируемые пользователем с помощью специальных устройств, называемых программаторами - ППЗУ ;
3.    перепрограммируемые, или репрограммируемые ПЗУ - РПЗУ.
Масочные ПЗУ
Программирование масочных ПЗУ происходит в процессе изготовления БИС. Обычно на кристалле полупроводника вначале создаются все запоминающие элементы (ЗЭ), а затем на заключительных технологических операциях с помощью фотошаблона слоя коммутации реализуются связи между линиями адреса, данных и собственно запоминающим элементом. Этот шаблон (маска) выполняется в соответствии с пожеланиями заказчика по картам заказа. Перечень возможных вариантов карт заказов приводится в технических условиях на ИМС ПЗУ. Такие ПЗУ изготавливаются на основе матриц диодов, биполярных или МОП-транзисторов.
Масочные ПЗУ на основе диодной матрицы
Схема такого ПЗУ представлена на рис. 12.1. Здесь горизонтальные линии – адресные, а вертикальные – это линии данных, с них в данном случае снимаются 8-разрядные двоичные числа. В данной схеме ЗЭ – это условное пересечение линии адреса и линии данных. Выбор всей строки ЗЭ производится при подаче логического нуля на линию адреса ЛА i c соответствующего выхода дешифратора. В выбранный ЗЭ записывается логический 0 при наличии диода на пересечении линии D i и ЛА i, т.к. в этом случае замыкается цепь: + 5 В, диод, земля на адресной линии. Так, в данном ПЗУ при подаче адреса 112 активный нулевой сигнал появляется на адресной линии ЛА 3, на ней будет уровень логического 0, на шине данных D 7   D 0 появится информация 011000112.
 

увеличить изображение
Рис. 12.1. Схема масочного ПЗУ на основе диодной матриц
Масочные ПЗУ на основе матрицы МОП-транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.2. Запись информации осуществляется подключением или неподключением МОП-транзистора в соответствующих точках БИС. При выборе определенного адреса на соответствующей адресной линии ЛА i появляется активный сигнал логической 1, т.е. потенциал, близкий к потенциалу источника питания + 5 В. Данная логическая 1 подается на затворы всех транзисторов строки и открывает их. Если сток транзистора металлизирован, на соответствующей линии данных D iпоявляется потенциал порядка 0,2   0,3 В, т.е. уровень логического 0. Если же сток транзистора не металлизирован, указанная цепь не реализована, на сопротивлении Ri не будет падения напряжения, т.е. в точке D i будет потенциал +5 В, т.е. уровень логической 1. Например, если в показанном на рис. 12.2 ПЗУ на адрес подать код 012, на линии адреса ЛА 1 будет активный уровень 1, а на шине данных D 3   D 0 будет код 00102.
 

увеличить изображение
Рис. 12.2. Схема масочного ПЗУ на основе матрицы МОП-транзисторов
Масочные ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
Пример схемы данного ПЗУ представлен на рис. 12.3. Запись информации осуществляется также металлизацией или неметаллизацей участка между базой и адресной линией. Для выбора строки ЗЭ на линию адреса ЛА i подается логическая 1. При металлизации она подается на базу транзистора, он открывается вследствие разницы потенциалов между эмиттером (земля) и базой (примерно + 5 В). При этом замыкается цепь: + 5 В; сопротивление R i; открытый транзистор, земля на эмиттере транзистора. В точке D i при этом будет потенциал, соответствующий падению напряжения на открытом транзисторе – порядка 0,4 В, т.е. логический 0. Таким образом, в ЗЭ записан ноль. Если участок между линией адреса и базой транзистора не металлизован, указанная электрическая цепь не реализована, падения напряжения на сопротивлении R i нет, поэтому на соответствующей линии данных D i будет потенциал +5 В, т.е. логическая 1. При подаче, например, адреса 002 в приведенном на рис. 12.3 ПЗУ на ШД появится код 102.
 

увеличить изображение
Рис. 12.3. Схема масочного ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
Примеры масочных ПЗУ приведены на рис. 12.4, а в табл. 12.1 – их параметры [1].
 

увеличить изображение
Рис. 12.4. Функциональные обозначения масочных ПЗУ
Таблица 12.1. Параметры масочных ПЗУ
Обозначение БИС    Технология изготовления    Информационная емкость, бит    Время выборки, нс
505РЕ3    pМОП    512x8    1500
К555РE4    ТТЛШ    2Кx8    800
К568РЕ1    nМОП    2Кx8    120
К596РЕ1    ТТЛ    8Кx8    350
Программируемые ПЗУ
Программируемые ПЗУ ( ППЗУ ) представляют собой такие же диодные или транзисторные матрицы, как и масочные ПЗУ, но с иным исполнением ЗЭ. Запоминающий элемент ППЗУ приведен на рис. 12.5. Доступ к нему обеспечивается подачей логического 0 на линию адреса ЛА i. Запись в него производится в результате осаждения (расплавления) плавких вставок ПВ, включенных последовательно с диодами, эмиттерами биполярных транзисторов, стоками МОП-транзисторов. Плавкая вставка ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при программировании импульсами тока величиной 50   100 микроампер и длительностью порядка 2 миллисекунд. Если вставка сохранена, то в ЗЭ записан логический 0, поскольку реализована цепь между источником питания и землей на ЛА i через диод (в транзисторных матрицах – через открытый транзистор). Если вставка разрушена, то указанной цепинет и в ЗЭ записана логическая 1.
 

Рис. 12.5. Схема масочного ПЗУ на основе матрицы биполярных транзисторов
На рис. 12.6 приведены примеры функциональных обозначений ППЗУ, выполненных по различным технологиям [1, с. 69], а в табл. 12.2 – их основные параметры.
 

увеличить изображение
Рис. 12.6. Функциональные обозначения ППЗУ
Таблица 12.2. Параметры ППЗУ
Обозначение БИС    Технология изготовления    Информационная емкость, бит    Время выборки, нс
КР556РТ4    ТТЛШ    256x4    70
КР556РТ5    ТТЛШ    512x8    70
К541РТ1    И2Л    256x4    80
КР565РТ1    n МОП    1Кx4    300
Репрограммируемые ПЗУ
Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) делятся на два основные вида:
1.    на основе МОП-матриц, в которых между металлическим затвором и слоем изолирующего оксида осаждается тонкий слойнитрида кремния. Отсюда и название технологии изготовления МНОП – металл – нитрид – оксид – полупроводник. Этот материал имеет свойство сохранять электрический заряд (положительный или отрицательный в зависимости от материала МОП-матрицы) после подачи на затвор транзистора программирующего импульса. Амплитуда этого импульса в несколько раз превышает напряжение источника питания ПЗУ в рабочем режиме (+ 5 В) и достигает 20   30 В. Длительность программирующего импульса составляет порядка десятков миллисекунд. При отсутствии дополнительных сигналов программирования или при отключении источника питания заряд в слое нитрида кремния будет сохраняться достаточно долго (гарантия порядка 10 лет).
Стирание информации в РПЗУ данного вида производится также электрическим путем. Часто допускается возможность не только общего стирания всего объема информации, но и избирательное (пословное) стирание с последующим выполнением пословной записи. Примеры РПЗУ данного типа приведены на рис. 12.7, а в табл. 12.3 – их параметры [1].
 

Рис. 12.7. Функциональные обозначения РППЗУ с электрическим стиранием информации
Таблица 12.3. Параметры РПЗУ на основе МОП-матриц
Обозначение БИС    Технология изготовления    Информационная емкость, бит    Время выборки, нс
К1601РР1    МНОП    1Кx4    1,5
К505РР1    ТТЛШ    256x8    0,85
2.    РПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым (УФ) облучением кристалла. Облучение производится в течение 10  20 минут через прозрачную кварцевую крышку на БИС РПЗУ. Примеры РПЗУ данного типа приведены на рис. 12.8, а в табл. 12.4 – их параметры [1].
 

Рис. 12.8. Функциональные обозначения РППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации
Таблица 12.4. Параметры РПЗУ с УФ-стиранием информации
Обозначение БИС    Технология изготовления    Информационная емкость, бит    Время выборки, нс
К573РФ1    ЛИЗНОП    1Кx8    0,45
К573РФ2    ЛИЗНОП    2Кx8    0,9
Ключевые термины
Масочные ПЗУ – устройства однократно программируемой памяти.
Программируемые ПЗУ (ППЗУ) - диодные или транзисторные матрицы, программируемые однократно пользователем.
Репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) – устройства с возможностью стирания и перезаписи информации.
Принятые сокращения
ППЗУ – программируемое ПЗУ.
РПЗУ - репрограммируемое ПЗУ.
Краткие итоги
ПЗУ предназначены для хранения неизменной информации. В зависимости от внутренней организации их можно программировать либо однократно на заводе-изготовителе, либо однократно с помощью специальных устройств-программаторов, либо многократно после стирания информации (ультрафиолетовым облучением или электрическим путём).
Набор для практики
Вопросы для самопроверки
1.    Перечислите типы ПЗУ.
2.    Как записывается логическая 1 в диодной матрице?
3.    Как записывается логический 0 в диодной матрице?
4.    Как записывается логическая 1 в матрице биполярных транзисторов?
5.    Как записывается логический 0 в матрице биполярных транзисторов?
6.    Как записывается логическая 1 в матрице полевых транзисторов?
7.    Как записывается логический 0 в матрице полевых транзисторов?
8.    Какова типичная разрядность чисел, записываемых в ПЗУ?
9.    Перечислите типы репрограммируемого ПЗУ.