Память – Цифровая техника

June 26, 2015 by admin Комментировать »

Запоминающие устройства (память) — большие и сверхбольшие интегральные схемы (соответственно БИС и СБИС) триггерного типа, предназначенные для временного или постоянного хранения значительных объемов информации.

Микросхемы памяти в цифровой электронике используются очень часто. В разнообразных автоматах световых эффектов (елочных гирляндах) в память записывают алгоритм, по которому должны переключаться гирлянды; память часто используют для временного хранения результатов вычислений; кроме того,, в память можно записать случайную информацию по случайным адресам и использовать такую микросхему в качестве генератора случайных чисел. Также самые простые и наиболее дешевые преобразователи одного параллельного кода в другой собираются только на микросхемах памяти.

Микросхемы памяти, которые радиолюбители активно используют в своих устройствах, бывают двух основных типов: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или RAM), предназначенные для. временного хранения информации (поеле выключения питания микросхемы содержащаяся в ней информация стирается) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM), информация в которых сохраняется даже после отключения питания. Последний тип микросхем делится на три вида: однократно программируемые ПЗУ (ППЗУ), многократно перепрограммируемые ПЗУ со стиранием «ненужной» информации ультрафиолетовым светом (УФ-ППЗУ или EPROM) и многократно перепрограммируемые ПЗУ с электрическим стиранием (ЭСППЗУ или EEPROM). Электрически стираемые микросхемы — самые лучшие, но они и стоят дороже всех. Самые дешевые — однократно программируемые, но они примитивны и неуниверсальны.

Назначение отдельных входов и выходов микросхем памяти (рис. 1.81):

Рис. 1.81. Изображения микросхем памяти на схемах: а — с многоразрядной шиной данных; б — с одноразрядной шиной данных

АО…Ап — адресные входы. Микросхема памяти похожа на картотеку, и каждый «кусочек информации» в ней записан по Индивидуальному адресу, который «сам собой» измениться никогда не может. На любом адресном входе может быть любой логический уровень. Максимальный объем информации определяется количеством адресных входов, и если их число равно п, то максимальное количество «карточек» в «картотеке» равно 2". То есть если у микросхемы четыре адресных входа, то в нее можно записать только 16 единиц информации (см. рис. 1.59).

CS (chip select) — вход выбора микросхемы. Чаще всего данный вход инверсный. При подаче на этот вход уровня лог. «1»микросхема переходит в режим «выключено» и перестает реагировать на все остальные входы. Записать или считать что-нибудь из микросхемы, находящейся в этом режиме, невозможно. Для перевода микросхемы в рабочий режим на этот вход нужно подать уровень лог. «0».

(write/record) — вход выбора режима работы «запись-считывание». Чаще всего этот вход инверсный, но у некоторых микросхем он прямой. При подаче на прямой входуровня лог. «1»выбирается «верхняя»

функция, т. е. запись. Для перевода микросхемы в режим считывания, а также для того, чтобы запретить случайную запись информации «поверх» уже записанной, на этот вход нужно подать уровень лог. «0». Если этот вход инверсный, то режим записи выбирается уровнем лог. «0».

OE (output enable) — разрешение выходов. Он есть не у всех микросхем и всегда инверсный. У большинства микросхем с 8 разрядной шиной данных и у некоторых 4-разрядных микросхем для экономии количества выводов вход и выход данных объединены, т. е. для записи информацию нужно подать на те же выводы, с которых она должна считываться. Чтобы при этом не произошло короткого замыкания (когда на выходе присутствует один логический уровень, а записать нужно противоположный), то выходы перед подачей на них записываемого сигнала нужно перевести в Z состояние. Делается это подачей на вход ОЕ уровня лог. «1». При этом работоспособность микросхемы по всем остальным входам сохраняется. К выходам данных в это время подключаются входы ячеек памяти.

СЕ — разрешение работы. Выполняет ту же функцию, что и вход CS. Это обозначение устарело, и на современных схемах вы его не найдете.

WE — разрешение записи информации. Служит для того, чтобы полностью исключить возможность записи случайной информации при воздействии на микросхему памяти различных, неблагоприятных для нее факторов. Часто выполняет функцию входа

DI, DI0…Din; DO, D00…D0n — соответственно вход и выход записываемой (записанной) информации. Если микросхема одноразрядная, то цифру «0» в номере входа, с цедью экономии места, обычно не пишут. Если входы и выходы микросхемы общие (совмещенные), то их обычно обозначают цифрами 0…3 или 0…7 (в зависимости от их числа). Для большей «понятности» часто перед номером входа-выхода добавляют букву D (data — информация), т. е. обозначают их как D0…D3 или D0…D7. Иногда, для еще большей понятности, над самым верхним входом-выходом, но ниже ромба-символа выключаемого выхода рисуют двунаправленную стрелку.

ипР— вход, на которой нужно подать напряжение программирования (в зависимости от типа микросхемы, от 13 до 25 В). Он есть не у всех программируемых ПЗУ — для некоторых ПЗУ высокое напряжение не нужно, а у некоторых оно подается на шины питания. Микросхемы ОЗУ программируются как обычные триггеры-регистры.

Ucc — напряжение питания. Для всех современных ПЗУ и большинства ОЗУ оно равно 5 В. Некоторые микросхемы сохраняют работоспособность при понижении напряжения питания до 1,5…2 В, но большинство работает в диапазоне 3…6 В.

GND (ground — земля, основание) — общий вывод. Соединяется с общим проводом всего устройства.

Каждый тип и подтип микросхем памяти работает (программируется) по-своему, поэтому в дальнейшем я постараюсь рассмотреть работу каждого из них.

Начнем с микросхем. ОЗУ, точнее, с регистра памяти К561ИР11А (см. рис. 1.72). Эта микросхема имеет два 4-разрядных канала (А и В) с индивидуальными адресными (входами, соответственно А1…А4 и В1…В4) и общим входом данных 0…3. Также микросхема имеет три инверсных входа WR / RD, соединенных по схеме ЗИ и вход синхронизации С. Запись информации происходит по фронту импульса на входе С при условии, что на всех входах WR / RD присутствуют уровни лог. «1». В противном случае микросхема не среагирует на «рабочий» перепад.

Запись информации можно синхронизировать и по входам           Для

этого на вход С нужно подать уровень лог. «1». Информация запишется в триггеры регистра в тот момент, когда на всех трех входах                                                                             одновременно

окажутся «нули». По этим входам запись происходит по спаду импульса. Все три входа         на схемах обычно соединены вместе.

В режиме считывания на входах С и1 могут присутствовать любые уровни — у микросхемы не предусмотрена (к сожалению) возможность перевода выходов в Ζ-состояние. Но лучше на один или несколько входов подать уровень лог. «1», тогда будет невозможна случайная запись, которая может повредить хранимые в памяти данные.

Во всех режимах работы микросхемы на ее адресных входах каналов А и В могут присутствовать коды любых двоичных чисел (0…7), причем эти коды в обоих каналах могут как совпадать, так и не совпадать.

Допустим, на адресных входах канала А установлен двоичный код числа «0», а на адресных входах канала В — числа «6». На входах данных 0…3 присутствует код. Например, числа «12». По фронту импульса на входе С по обоим выходам АО…АЗ и B0…B3 запишется двоичный код этого числа. Теперь если перевести микросхему в режим чтения, то код числа «12» на выходах канала А появится только тогда, когда на адресных входах этого канала присутствует код числа «0». при другом адресе (т. е. двоичном коде на адресных входах) на выходах может быть другой код. Впрочем, вам никто и ничто не мешает записать одно и то же число по всем адресам. Но в таком случае нужна ли вам микросхема памяти?

Аналогично работает и канал В. Число «12» на его выходах появится только при адресе, равном «6». При других адресах код может быть другим.

К сожалению, в этой микросхеме не предусмотрена блокировка работы одного из каналов, и информация с объединенных входов данных одновременно записывается в оба канала. Для большинства схем это недостаток «невесомости с жизнью», поэтому эта микросхема чаще всего используется только «наполовину», т. е. только один ее канал. На адресные входы второго канала подаются любые логические уровни, а его выходы остаются свободными.

У этой микросхемы есть «брат близнец», без буквы А в окончании названия (К561ИР11). Цоколевка обеих микросхем полностью совпадает, но программировать (записывать в память информацию) ПРИ сложнее, чем ИР11А. Поэтому ИР11 используется гораздо реже. К сожалению, «достать» эту микросхему у меня не получилось, поэтому ничего конкретного об особенностях ее работы сказать не могу.

Перейдем теперь к «настоящим» микросхемам памяти Так как изображения их корпусов практически ничем друг ot друга не отличаются (разница только в количестве выводов и отдельных входов), то, чтобы Не загромождать книгу ненужными картинками, все сведения о цоколевке микросхем Памяти я свел в таблицы. Для микросхем ОЗУ подобная таблица изображена на рис. 1.82.

Микросхемы ОЗУ бывают двух типов: асинхронные и тактируемые (синхронные). Большинство КМОП ИМС ОЗУ тактируемые.

Рис. 1.82. ОЗУ

Тактируемые микросхемы памяти по сравнению с асинхронными примитивны, но у них есть одно-единственное преимущество, благодаря которому выпуск новых разработок тактируемых микросхем прекратился только сравнительно недавно: они менее сложны и, следовательно, потребляют меньший ток. А потребляемый микросхемой ОЗУ ток гораздо важнее тока потребления всеми остальными микросхемами: их без ущерба для схемы, с целью понижения энергопотребления (чтобы батарейки «прожили» дольше) можно отключить, но ОЗУ отключать нельзя — иначе пропадет вся записанная в него информация.

Тактируемые микросхемы плохи тем, что ими гораздо сложнее управлять. Работа асинхронных (не тактируемых) микросхем ОЗУ крайне непроста: на вход CS нужно подать разрешающий работу сигнал, по входу WR / RD переключить микросхему в нужный режим (например, чтение), если есть вход ОЕ — «разобраться» и с ним, после чего можно подавать на нее адресные входы нужный адрес, и микросхема — «картотека» послушно выдаст на свой выход нужную вам «карточку». Если вы теперь измените адрес, не изменяя уровни на всех остальных управляющих входах, то информация на выходах ОЗУ изменится и станет соответствовать записанной по этому адресу. В общем, идиллия.

Тактируемое ОЗУ такого обращения с ним не потерпит, здесь нужен иной подход. Для наглядности рассмотрим работу микросхемы К561РУ2.

Временные диаграммы импульсов на входах этой микросхемы показаны на рис. 1.83. Тактируется микросхема по входу CS. Для того чтобы тактируемая микросхема работала правильно, во время смены адреса на ее адресных входах, на входе CS должен присутствовать запрещающий работу уровень (т. е. лог. «1»— для инверсного входа CS). Этот уровень на вход CS нужно подать за некоторое время (tcx CS) до изменения адреса, и он на этом входе должен оставаться некоторое время после изменения адреса (t, CS). Если это правило не соблюдать, то по новому адресу, при любом уровне на входе j запишется та информация, которая была на выходе до изменения адреса, т. е. создается иллюзия того, что микросхема неисправна (при неизменном, разрешающем работу уровне на входе CS и изменении адресов информация на выходах не изменяется, создается впечатление того, что записываемая по какому-то одному адресу информация записывается (дублируется) и по всем остальт ным адресам). В свое время я по причине не знания этого факта (эта информация, судя по всему, является секретной — ни в одном доступном мне справочнике о ней не говорится ни слова) выбросил в мусор немало вполне исправимых микросхем.

Входы           и DI у всех микросхем памяти асинхронны, и уровни на них могут изменяться в любое время, независимо от сигналов на адресных входах и входе CS. Для упрощения схемы устройства радиолюбителя часто «привязывают» изменения уровней на этих входах к изменению уровней на адресных.

Рис. 1.83. Временные диаграммы работы тактируемой ОЗУ (для микросхемы

К561РУ2)

При запрещающем работу уровне на входе CS, а также в режиме записи выходы большинства микросхем памяти переходят в Ζ-состояние. В режиме считы-

вания информация на выходах DO появляется только через некоторое время tG после подачи на вход CS разрешающего уровня. Исчезает она также не мгновенно.

Чаще всего тактируемые микросхемы памяти включают по схеме, изображенной на рис. 1.84. В этой схеме используется тот факт, что микросхемы, в отличие от конденсаторов и диодов, мгновенно переключаться не могут. При подаче уровня лог. «1» на любой вход С счетчиков (т. е. фронт импульса, на что они и должны реагировать), напряжение с уровнем лог. «1». Через соответствующий конденсатор С1 или С2 и один из диодов пройдет на вход CS микросхемы памяти. Она перейдет в режим хранения.

Через некоторое время сработает счетчик, и адреса (информация) на его выходах изменятся. А еще через некоторое время соответствующий конденсатор зарядится через резистор R1, и на входСБ микросхемы поступит разрешающий работу уровень лог. «0». Этот вход не является триггерным (в отличие от входов С счетчиков), поэтому про крутизну импульсов можно и не вспоминать, что я и делаю.

Два диода, к которым подключен каждый конденсатор, выполняют функции выпрямителя и смесителя. Диод, соединенный с общим проводом, нужен для того, чтобы конденсатор мог разряжаться при уровне лог. «0» на входе С. Второй диод пропускает «единицу» на вход CS, в это время через него резистор R1 конденсатор заряжается. По спаду импульса на входе С конденсатор снова, практически мгновенно, разрядится.

При подаче на любой вход сброса уровня лог. «1» (сброс счетчика) этот же уровень через один из диодов, подключенных ко входам сброса, переведет ОЗУ в режим хранения. Так как импульсы на входах сброса обычно очень короткие (чаще всего входы сброса вообще не используются — они «намертво» соединены с общим проводом), то конденсаторы можно не устанавливать.

Если в схеме используются счетчики, работающие последовательно (т. е. входы С нижних счетчиков соединены с выходом 8 верхнего счетчика и все

Рис. 1.84. Схема включения тактируемого ОЗУ

счетчики управляются по единым входам С и R), то можно обойтись одним конденсаторно-диодным дифференциатором, подключенным ко входу С того счетчика, на который поступают импульсы синхронизации с не показанного на рисунке генератора. Если же адреса ОЗУ «перебирают» три и больше счетчиков, импульсы на входах С которых появляются независимо друг от друга, то количество конденсаторов и диодов нужно увеличить — любое изменение адреса должно происходить только при уровне лог. «1» на входе CS. Это относится ко всем адресным входам без исключения.

На схеме указана максимальная емкость конденсаторов С1 и С2. Ее вполне можно снизить вплоть до 10…20 пФ. Правда, при этом не гарантируется надежная работа микросхемы ОЗУ. Поэтому лучше не экспериментируйте. При указанных на схеме номиналах резистора и конденсаторов выхода отключаются от кристалла примерно на одну миллионную секунды. Благодаря «встроенным» паразитным входным емкостям, которые не могут разрядиться за столь короткое время, большинство КМОП-микросхем на такой сигнал никак не отреагируют (если они подключены к выходу ОЗУ). С ТТЛ-микросхемами сложнее, но я лично в своих конструкциях их уже давным-давно не использую. Хотя они по некоторым параметрам гораздо лучше «КМОПок».

У микросхемы К561РУ2 входпрямой, поэтому в режиме чтения на нем должен присутствовать уровень лог. «0». При подаче на него уровня лог. «1» микросхема переходит в режим записи; запоминающие триггеры этой микросхемы (ее объем памяти — 1 килобита или 256 бит (в одном килобите 1024 бита, т. е. внутри нее ровно 256 триггеров) работают по уровню, а не по перепаду (это относится ко всем микросхемам памяти), поэтому информация в них записывается;

а)       или по переходу микросхемы из режима записи в режим чтения по входу

(записывается та информация, которая была на входе (входах) данных непосредственно во время этого перехода, б)        или микросхема постоянно находится в режиме записи (до тех пор, пока не запишется вся информация по нескольким или всем адресам), на входе

присутствует уровень лог. «1», а потом адреса попросту меняются на новые, разумеется, во время действия короткого импульса лог. «1»на входе CS. В триггеры памяти записывается та информация, которая была на входе (входах) данных во время фронта импульса на выходе CS.

При работе с микросхемами, имеющими вход ОЕ (например, с очень популярной и очень дешевой 2-килобайтной (не Путайте байт и бит — в одном байте 8 бит, т. е. у этой микросхемы 8 выходов) микросхемой КР537РУ10), в режиме программирования на этом входе может быть любой уровень (если ее программировать согласно пункту «б») — выходы микросхемы и так превращаются во входы «нулем» на инверсном входеНо в некоторых случаях можно воспользоваться и этим входом; Вообще, по моему мнению, он лишний. У широко используемой ТТЛ-микросхемы (по быстродействию эта технология — аналог ТТЛ, но «жрет» она раз в десять меньше) КР541РУ2 этого входа нет, и ничего. Впрочем, лишних входов не бывает — «в хозяйстве все пригодится».

В табл, на рис. 1.82 объем памяти микросхем указан в килобитах, вторая цифра после знака «х» — количество выходов. Если вход (выход) инверсный, то над ним стоит вектор символ инверсии. Входы CS у микросхемы КР537РУ17 объединены по схеме «2И»; сигнал с ее вывода 26 перед подачей на логический элемент инвертируется. Для управления этой микросхемой можно использовать только один вход CS, подав на второй разрешающий работу логического элемента уровень.

Как видно из таблицы, разные серии микросхем ОЗУ друг от друга отличаются в основном только потребляемым током. Быстродействие максимально у микросхем серии КР541. Эта серия, а также серия К155 не чувствительна к статическому электричеству; при работе со всеми остальными микросхемами нужно соблюдать повышенную осторожность. Быстродействие (скорость работы) минимально у микросхем серии КР537, но все равно оно чуть выше, чем у микросхем серии К561. Основное преимущество этой серии ОЗУ — ничтожный потребляемый ток в режиме хранения; именно благодаря этому данная серия наиболее популярна. Поэтому ее работу мы рассмотрим чуть подробнее.

Микросхемы этой серии изготовлены по КМОП-технологии, описанной выше. На выходах у них стоит стандартный ТТЛ-каскад на биполярных транзисторах, который обеспечивает довольно большой (около 50…60 мА) выходной ток. Этот каскад довольно низковольтный и потребляет значительный ток (единицы миллиампер), поэтому напряжение питания выбрано равным 5 В (работоспособность микросхемы сохраняется при напряжении питания в пределах

2,5..      .6 В). Для уменьшения энергопотребления микросхемы в режиме хранения питание ее выходного каскада и еще нескольких узлов попросту отключается; остаются включенными только триггеры — ячейки памяти. Они, как и все КМОП-элементы, в статическом («спящем») режиме практически не потребляют ток — ток течет в основном только через несовершенную изоляцию отдельных транзисторов и шин.

На входах этой серии микросхем нет защитных диодов, поэтому о защите микросхемы от высокого напряжения на входах нужно позаботиться самому. Чаще всего входы ОЗУ подключаются к внешним устройствам через повторители уровня или регистры-«защелки», которые питаются от того же источника, что и микросхема памяти. По крайней мере, эти повторители стоят гораздо дешевле, чем микросхема памяти, поэтому если суждено, то пусть уж лучше «сгорят» они.

Кроме этого, всем КМОП-микросхемам памяти присуще очень неприятное свойство, так называемый тиристорный эффект. Его нет у микросхемы К561РУ2, у нее на кристалле сформированы специальные «защитные кольца», выполняющие роль «грозоотводов».

Все КМОПмикросхемы основаны на комплементарных парах полевых -транзисторов. Так как изготовители микросхем не могут припаять к одному кристаллу размером с заглавную букву этой книги несколько десятков тысяч индивидуальных полевых транзисторов, изолировав их друг от друга слоем диэлектрика, то обычно все транзисторы методом эпитаксиально-планарной технологии «рисуют» (в буквальном смысле) на поверхности кристалла, изолировав их друг от друга р-п-переходами. Упрощенная схема такой микросхемы (вид сверху) показана на рис. 1.85.

Рис. 1.85. «Внутренности» КМОПмикросхемы (диоды показаны условно, связи между транзисторами не показаны)

Технология изготовления КМОПмикросхемы крайне проста: вначале на кристалле формируют множество прямых «полос» с определенным (п или р) типом проводимости. Затем на этих полосах рисуют маленькие квадратики (сток и исток), промежуток между ними покрывают слоем диэлектрика и сверху напыляют металлическую пластинку — затвор. Так за небольшое время и при минимальных затратах получают огромное множество независимых друг от друга транзисторов. Граница между транзисторами с одинаковым типом канала показана условно, на самом деле ее нет. Просто расстояние между двумя транзисторами выбирают таким, чтобы затвор одного не влиял на канал другого. После этого выводы отдельных транзисторов соединяют между собой, согласно схеме, металлическими перемычками. Микросхема готова. Осталось только заключить кристалл в подходящий корпус.

По КМОП-технологии на выводы истоков всех транзисторов, а также на выводы подложек подаются напряжения шин Питания (для п-канального транзистора с общего провода GND, для р-канального — с шины «Ucc»). Транзисторы друг от друга изолированы р-п-переходами, которые являются не чем иным, как диодами. На рис 1.85 в нижнем углу эти диоды условно показаны. Как видно, все напряжение источника питания прикладывается к закрытому переходу среднего диода. Его напряжение пробоя очень невелико (около 10 В), так как расстояние между двумя полосами ри η-подложки увеличить нельзя (увеличится размер кристалла).

Как только напряжение питания, пусть даже очень кратковременно, превысит эту величину, «диод» пробьется. Все остальные р-п переходы взаимосвязаны с этим, они тоже пробьются. Произойдет лавинообразный процесс, аналогичный срабатыванию тиристора (поэтому этот эффект называется тиристорным). Как известно, напряжение на выводах открытого (в электрическом смысле) тиристора уменьшится до 0,7…1,5 В и остается на этом уровне до тех пор, пока не отключат напряжение питания или пока тиристор не выйдет из строя. Так как при работе с КМОП-микросхемами ток, отдаваемый источником питания в нагрузку — на микросхемы, практически никогда не ограничивают (в самом деле, зачем ограничивать?), то события чаще всего развиваются по второму пути: микросхема резко перегревается и выходит из строя. Все это происходит за время меньше 1 секунды (если источник питания довольно мощный), поэтому вовремя обесточить устройство и спасти тем самым дорогостоящую микросхему памяти от неминуемой гибели почти никогда не удается.

Тиристорный эффект возникает от любых, даже очень кратковременных, мгновенных повышений напряжения питания. Если провода, по которым подходит напряжение питания, обладают значительной индуктивностью (т. е. их длина более нескольких десятков сантиметров), то при включении напряжения практически всегда возникает индуктивный всплеск напряжения и наступление тиристорного эффекта неизбежно. То же самое произойдет и при кратковременном коротком замыкании источника питания, при этом всплеск напряжения будет еще мощнее. Кроме того, тиристорный эффект может наступить и при превышении напряжения на входах микросхемы (по модулю) напряжения источника питания.

При наладке или макетировании устройства, содержащего в своем составе микросхему памяти, такие ситуации неизбежны, и устранить их со 100%-ной гарантией невозможно. Но бороться с ними можно.

Первым делом нужно позаботиться о том, чтобы на входы микросхемы памяти не цопало слишком высокое напряжение. Тут, как и перед витязем на распутье, три пути:

1)             все микросхемы и прочие элементы, управляющие микросхемой памяти, питать от единого источника питания 5 В;

2)             на всех входах микросхемы памяти поставить повторители или регистры-«защелки», которые по своим входам должны быть защищены;

3)             ко всем входам микросхемы памяти припаять защитные диоды по той же схеме, что и у микросхем серий К561 и др. По неизвестной мне причине в микросхемы памяти такие диоды не устанавливаются. Наверное, занимают слишком много места.

С тиристорным эффектом, возникающим от повышения напряжения питания, также можно бороться несколькими методами (рис. 1.86):

а)       включив микросхему через токоограничивающий резистор.

Тиристорный эффект, если и наступит, не приведет микросхему к выходу из строя. В то же время минимальный протекающий ток, удерживающий «тиристор» в открытом состоянии, больше тока, протекающего через резистор R1, и «тиристор» как откроется, так и закроется самостоятельно. Недостаток этого метода — у резистора сравнительно большое сопротивление и на нем падает некоторое напряжение;

б)      подключив параллельно входам питания микросхемы памяти (на схемах эти входы обычно изображают как выходы, т. е. рисуют справа) конденсатор значительной емкости. При резком и непродолжительном увеличении напряжения питания напряжение на конденсаторе попросту не успеет увеличиться до опасного для микросхемы уровня. Резистор R1 в этой схеме можно убрать;

в)      зашунтировав источник питания стабилитроном с напряжением стабилизации 5,3…6 В. Стабилитрон скорее сгорит, но не допустит увеличения напряжения питания микросхемы выше опасных для нее 8… 10 В. Перед стабилитроном желательно включить резистор, как и в пункте «б».

Рис. 1.86. Защита микросхемы памяти от тиристорного эффекта по шине питания

Наиболее распространена схема, изображенная в пункте «б». Конденсатор иногда шунтируют стабилитроном (гибрид схем «б» и «в»), но это уже слишком.

Из КМОП-микросхем памяти к тиристорному эффекту нечувствительны только К561РУ2 и КР537РУ6.

Перейдем теперь к постоянным запоминающим устройствам (ПЗУ). Все подобные Микросхемы асинхронны, поэтому тактировать их не обязательно. Большинство устаревших микросхем ПЗУ управляются только по входам CS, которых у них может быть до 4 штук, у современных микросхем есть также входы ОЕ и (или). У всех ПЗУ есть или 4, или 8 объединенных входов-выхо дов данных; меньше или больше количество этих выводов никогда не встречается. И наконец, в рабочем режиме все ПЗУ потребляют значительный (более 5 мА) ток. В режиме хранения ток потребления некоторых серий ПЗУ резко снижается. Для еще более значительного снижения потребляемого тока напряжение питания в «спящем» режиме лучше всего вообще отключать от памяти, благо информация от него не зависит и стереться не может. Сведения о наиболее распространенных ПЗУ приведены в таблице на рис. 1.87.

Для начала рассмотрим самую «древнюю» серию микросхем ПЗУ — КР556. Эти микросхемы не допускают возможности стирания записанной ранее информации, т. е. они однократно программируемые. Из-за этого недостатка используются сравнительно редко, а стоят — копейки. Эти микросхемы собраны на биполярных транзисторах, т. е. они не бояться статического электричества и тиристорного эффекта, но потребляют значительный тою Напряжение питания для всех ПЗУ распространенных сейчас серий равно +5 В.

У микросхем серии КР556 выходы бывают двух типов; или с открытым коллектором, или с тремя состояниями (рис. 1.88). Микросхемы с открытым коллектором дешевле, но у них на выходе Появляется только уровень лог. «0». «Единицу» можно сформировать, включив между выходом и шиной питания «Ucc» резистор сопротивлением 1…100 кОм, но в таком случае в режиме хранения на всех выходах будут «единицы». На выходе с тремя состояниями может быть три состояния: лог. «1». лог. «0» и «ничего».

Микросхемы управляются по многочисленным входам CS; запись информации возможна только в режиме хранения. Поэтому правильнее было бы назвать эти входы какно, к сожалению, сейчас уже поздно что-то менять.

Все эти входы внутри микросхемы объединены в один по схеме «И», поэтому управлять микросхемой можно по одному-единствеНному входу, подав все остальные прямые входы уровни лог. «1», а на инверсные — лог. «0». При подаче

Рис. I 87. ПЗУ

на любой прямой вход CS уровня лог. «0» или на любой инверсный — лог. «1»микросхема переходит в режим хранения И (ИЛИ) записи информации.

Для программирования микросхем серии КР556 нужно два источника питания: +5 В и +13 В (относительно общего провода). Схема простейшего программатора изображена на рис. 1.89. Программируются микросхемы следующим, немножко садистским, методом: в режиме хранения резко и кратковременно (не более 0,2…0,5 секунды) повышается до 13 В напряжение питания микросхемы. Если его удерживать повышенным дольше — микросхема сгорит. В это время тот выход, который должен быть «прошитым» (запрограммированным), должен быть соединенным с выводом питания «Ucc» микросхемы через резистор сопротивлением не менее 330 Ом, иначе микросхема выйдет из строя, но и не более 1 кОм, иначе результат останется незаметным.

На транзисторе VT1 собран усилитель тока, который работает благодаря дифференцирующему конденсатору С1 как одновибратор. Коллектор транзисто-

Рис. 1.88. Выходы микросхем: а — с открытым коллектором; б — с тремя состояниями

Рис. 1.89. Программирование микросхем памяти серии КР556РТ

ра подключен к катушке электромагнитного реле К1, контакт К1.1 которого подает на микросхему высокое (для нее) напряжение. Емкость конденсатора С1 нужно подобрать таким образом, чтобы реле замыкало свои контакты не более чем на 0,2…0,5 секунды (вместо микросхемы памяти к контакту К1.1 можно подключить цепочку из последовательно соединенных светодиода и резистора на 1…10 кОм; диод VD2 пока устанавливать не нужно). Реле в этой схеме можно использовать любого типа, на любое напряжение срабатывания (в пределах 6… 10 В), транзистор желательно использовать средней мощности. Диод VD1 нужен для защиты транзистора от ЭДС самоиндукции· катушки реле, которая присуща всем индуктивным нагрузкам. Он не обязателен, но лишним не будет, особенно если используется мощное реле или сравнительно маломощный транзистор.

С помощью кнопок SB2…SB9 выбирается тот разряд, который нужно «прошить». Делается это при отпущенной кнопке SB1. После того как вы нажмете на одну — три кнопки SB2…SB9 (одновременно можно «прошивать» не более трех разрядов), нужно Нажать кнопку SB1. По входу CS микросхема практически мгновенно перейдет в режим записи, и через очень небольшое время контакты К1.1 реле К1 замкнутся и подадут на микросхему напряжение программирования. Уровень лог. «1»на адресных входах и входе CS в это время не должен превышать 5 В.

Запоминающая матрица микросхем КР556 представляет собой набор биполярных транзисторов, Включенных по схеме с ОЭ, в коллекторные цепи которых вместо нагрузки включены плавкие перемычки. Если перемычка цела, то из этой ячейки памяти читается уровень лог. «0» (у микросхемы КР556РТ5 — лог. «1»), а если перегорела — уровень лог. «1» (у РТ5 — лог. «0»), В режиме программирования выводы плавких перемычек (второй вывод всех Перемычек соединен с общим проводом) подключаются непосредственно ко входам-выходам данных. Тока, протекающего через резистор R1, достаточно для пережигания перемычки. Восстановить перегоревшую перемычку нельзя, поэтому и перепрограммировать микросхему нельзя.

Сохранность данных у этого типа микросхем самая продолжительная (информация практически никогда не сотрется). Правда, иногда у этих микросхем перемычки «самовосстанавливаются». Происходит это из-за того, что ток программирования микросхемы был слишком большим (мало сопротивления резистора R1) и перемычка не перегорела, как обычно, а «взорвалась», заляпав расплавленным металлом все вокруг. Со временем этот металл под воздействием повышенной температуры (микросхема в рабочем режиме потребляет значительный ток — до сотен миллиампер, поэтому всегда довольно сильно разогрета) и прочих факторов соединится в целую, несгоревшую, перемычку. Чтобы предохраниться от такой «беды», микросхему обычно подвергают термотренировке: в течение десятка минут выдерживают при температуре около 100°С. Обычно для этого микросхему кидают в кипящую воду или в духовку газовой плиты. В последнем случае весьма высока вероятность выхода микросхемы из строя в результате перегрева.

Для контроля записи к выходам программируемой микросхемы можно подключить 4…8 индикаторных ячеек (на рис. 1.89 для простоты и наглядности изображена только одна). Если на выходе микросхемы присутствует уровень лог. «0», то резистор замыкается через диод и светодиод гаснет. При уровне лог. «1» на выходе, или когда микросхема находится в Ζ-состоянии, светодиод ярко светится.

Адрес нужной информации в памяти этой микросхемы выбирается по адресным входам точно так же, как и у ОЗУ, поэтому останавливаться на этом я не буду. Когда напряжение питания (Ucc) микросхемы отключено, ее адресные входы также отключаются от кристалла (никаких защитных диодов к ним не припаяно). Благодаря этой особенности микросхемы серии КР556, потребляющие более 50 мА, можно использовать в устройствах с пониженным энергопотреблением, кратковременно подавая напряжение питания на время (несколько миллисекунд), достаточное для записи информации с ее выходов в КМОП-регистры-«защелки», практически не потребляющие электроэнергию. При этом информация на адресных входах ПЗУ может присутствовать постоянно — к выходам счетчиков не нужно подключать буферные элементы с возможностью Ζ-состояния (ни у одного счетчика нет отключаемых выходов), что значительно упрощает схему устройства.

Это относится и ко входам CS.

У микросхем КР556РТ5 и РТ17 есть вход напряжения программирования Unp. Этот вход можно оставить болтаться в воздухе и программировать микросхему как обычно (см. рис. 1.89). Но лучше всего напряжение на входе Ucc оставить равным 5 В, а точку соединения резистора R1 и контакта К1Д подключить ко входу Unp. При этом диод VD2 не нужен.

О том, как программировать микросхемы серии КР541РТ, у меня информации нет. Известно только, что они, при том же быстродействии, потребляют почти в 2 раза меньший ток.

Наиболее распространены в настоящее время стираемые ПЗУ, информацию внутри которых можно изменить. К таковым относятся микросхемы серии КР573РФ и их зарубежные аналоги из серии 27С, которые стираются воздейст-

вием на кристалл ультрафиолетового света (при этом стирается вся записанная в микросхему информация) и микросхемы серии 28С (отечественного аналога нет), которые и программируются, и стираются электрическими сигналами. При этом можно стереть как один-единственный байт, так и все содержимое памяти. К сожалению, бесплатный сыр бывает только в мышеловке. И микросхемы серии 28С стоят в 2…3 раза дороже серии 27С с тем же объемом памяти.

Все стираемые микросхемы имеют байтовую организацию памяти, т. е. у них по 8 выходов (объединенных со входами). Выходы всех микросхем изготовлены по технологии ТТЛ (ток нагрузки — до 50 мА) с тремя состояниями. Они защищены от случайных коротких замыканий. Микросхемы изготовлены по МОП-технологии, поэтому их входы имеют огромное входное сопротивление, а сами микросхемы чувствительны к тиристорному эффекту и статическому электричеству. Защитных диодов на входах нет. Напряжение питания равно +5 В, ток потребления отечественных микросхем с тем же объемом памяти в несколько раз больше, чем у импортных.

Все стираемые микросхемы изготавливаются про ЛИЗМОП-технологии (МОП-транзисторы с лавинной инжекцией заряда). Такие транзисторы имеют два затвора: первый соединен со схемой и в зависимости от поданного на него уровня включает или выключает транзистор. Второй затвор — «плавающий», так как он со всех сторон окружен слоем диэлектрика (обычно нитрида кремния) с низким напряжением пробоя и очень высоким (настолько высоким, что это невозможно представить) сопротивлением. Запоминаемая информация хранится в этом самом «плавающем» затворе в виде зарядов электронов, которые инжектируются в него в режиме программирования. Транзистор, у которого «плавающий» затвор заряжен, обладает повышенным напряжением отпирания по сравнению с транзистором, у которого этот затвор не заряжен, поэтому в режиме чтения из такого транзистора будет считан уровень лог. «0», а из незаряженного транзистора — уровень лог. «1». Так как плавающий затвор окружен слоем диэлектрика, то заряд на нем сохраняется очень долго (изготовители микросхем гарантируют, что более 10 лет; но, по некоторым неофициальным расчетам, заряд на плавающем затворе способен сохраняться более 400 Лет) и абсолютно не зависит от toro, включено напряжение питания микросхемы или нет.

В микросхемах серии КР573РФ с помощью электричества можно «загнать» электроны на «плавающий» затвор, «выгнать» их оттуда удастся только ультрафиолетовым светом. Для этого специальное окно из кварцевого стекла сверху микросхемы протирают от пыли и грязи смоченной в ацетоне или спирте ваткой и кладут микросхему окном вверх под включенную ртутную лампу (можно и под галогенную) на 0,5…1 час. Это время должно быть минимальным, но таким, чтобы вся информация во всех разрядах стерлась, т. е. чтобы По всем адресам записались «единицы» (в режиме программирования «единицы» заменяются на «нули»). Во время стирания активные кванты ультрофеолетового света «долетают» до заряженного «плавающего» затвора и «выбивают» из него электроны. Этот затвор постепенно разряжается.

Кванты света не только «выбивают» электроны, но и «попутно» разрушают изоляцию «плавающего» затвора, поэтому продолжительность стирания должна быть минимальной. Максимальное количество циклов перепрограммирования для большинства микросхем не превышает 50… 100 раз, при большем числе циклов из-за основательного разрушения изоляции «плавающего» затвора он разрядится раньше, чем через 10 лет. Но этой цифры вполне достаточно.

Для программирования микросхемы на ее вход Un(1 нужно подать высокое напряжение (13 В для микросхем серии 27С, 18 В — для микросхемы КР573РФ8, 21В — для РФ4 и РФ6, 25 В — для РФ2 и РФ5), на все остальные входы и выходы высокое напряжение подавать нельзя (они управляются логическими уровнями в пределах 0…5 В). В режиме записи на адресных входах должен быть установлен нужный адрес, на вход ОЕ нужно подать уровень лог. «1»для «превращения» выходов данных во входы. На эти выводы подается записываемая информация. После этого для микросхем РФ2, РФ5 и РФ8 на вход CS на время, большее 50 мс, нужно подать уровень лог. «1». Информация запишется в транзисторы запоминающей матрицы. Для микросхем РФ4 и РФ6 в режиме записи уровень лог. «1»на вход CS подавать бессмысленно; для записи информации нужно кратковременно подать уровень лог. «1» на вход WR / RD этих микросхем. Потребляемый микросхемами ток по входу программирования не превышает 5 мА, поэтому отключать высокое напряжение в режиме чтения не обязательно. В режиме чтения и хранения вход U„p можно оставить свободным — он через резистор небольшого сопротивления соединен со входом «Ucc».

Электрически стираемые микросхемы серии 28С для программирования (в них можно записать и уровень лог. «1». и уровень лог. «0») высокого напряжения не требуют — они ведут себя как самые обычные микросхемы с батарейкой. Так как эти микросхемы не взаимодействуют с агрессивными средами (ультрафиолетовым светом), активно разрушающими кристалл, то количество циклов перепрограммирования практически неограниченно (более 10 000). Во всех режимах работы микросхемы питаются от одного источника питания напряжение 5,0 В.

Работой микросхемы управляет вход WR / RD. Для записи на этот вход нужно подать уровень лог. «0». Выходы данных превратятся во входы, и та информация, которая в это время будет присутствовать на них, запишется в память микросхемы. Длительность импульса записи должна быть больше 10 мс. Записанная информация сохраняется в памяти микросхемы более 10 лет. Если длительность импульса записи меньше 7 мс, микросхема на него не реагирует.

Расшифровку названий импортных микросхем памяти можно найти на рис. 1.90. Время доступа — время, в течение которого микросхема «ищет» нужную «карточку» в своей памяти. Для микросхем серии КР573 оно равно

300..    .500 мс. Объем памяти в названиях импортных микросхем обозначается в килобитах. Для того чтобы перевести его в привычные всем килобайты, это число нужно разделить на 8. Для уменьшения тока потребления в режиме хранения микросхемы лучше всего вообще отключать от источника питания. Для небольшого увеличения быстродействия (уменьшения времени доступа) напряжения питания «UM» микросхем можно повысить до 6 В. При уменьшении напряжения питания быстродействие быстро снижается.

Если предполагается множество циклов перепрограммирования микросхем серии КР573, то напряжение программирования можно уменьшить до 10…15 В,

Рис. 1.90. Маркировка зарубежных микросхем памяти (у ОЗУ разделительной буквы «С» нет)

но при этом микросхема должна надежно программироваться. При этом длительность хранения информации не будет превышать один год, зато стираться «старая» информация будет за несколько минут. Для микросхемы опасно не количество циклов перепрограммирования (она считать не умеет), а суммарное время воздействия на кристалл разрушающего все ультрафиолетового света. В этом случае время стирания заметно уменьшается, поэтому допустимое количество циклов перепрограммирования резко увеличивается.

Большинство микросхем серии 28С по разводке выводов ничем не отличаются от микросхем серии 27С и их отечественных аналогов серии КР573РФ. Но V некоторых микросхем входы ОЕ микросхем 27С выполняют функцию входа Вход напряжения программирования Unp у микросхем серии 28С никуда не подключен, и на него можно подавать какое угодно напряжение. Его вообще можно отломать — микросхема этого не «заметит». Правда, при этом пострадает ее внешний вид, а без красоты в электронике скучно. Поэтому и расходуют металл на этот вывод, е не отрывают его прямо на предприятии-изготовителе. Кстати, наличие «лишних» выводов и у некоторых других микросхем (например, К176ИЕ1) объясняется так же.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты