PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 7 cz. 1


Streszczenie

Wroc


W wykładach 7 i 8 jest mowa o układach pamięciowych - najpierw o podstawowych komórkach umożliwiających zapamiętanie jednego bitu, a potem o zasadach działania i organizacji pamięci półprzewodnikowych różnych rodzajów.

Pamięci dzielone są tradycyjnie na pamięci o stałej zawartości
(Read-Only Memory - ROM) oraz pamięci o swobodnym dostępie, do których informacja może być w każdej chwili zarówno zapisywana, jak i odczytywana (Random Access Memory - RAM). W miarę rozwoju technologii wytwarzania pamięci ten podział staje się jednak coraz bardziej nieostry, bowiem w grupie pamięci ROM są też takie, których zawartość może być zmieniana przez użytkownika. Pamięci te, które można nazwać pamięciami ROM programowalnymi, nie zastępują jednak pamięci RAM. Różnica polega na tym, że proces zmiany zawartości pamięci ROM trwa znacznie dłużej, niż zapis do pamięci RAM. Wynika to z faktu, że mechanizmy zapisu w tych pamięciach są odmienne. Programowanie pamięci ROM polega na zmianach w strukturze fizycznej lub własciwościach elementów komórek tych pamięci. Takie zmiany to na przykład zmiana schematu elektrycznego (trwałe przerywanie istniejących lub tworzenie nowych połączeń) lub zmiana napięcia progowego tranzystora MOS. Natomiast programowanie pamięci RAM polega na zmianie stanu w układzie elektronicznym komórek tych pamięci. Przykładowo, może to być zmiana stanu przerzutnika bistabilnego, naładowanie lub rozładowanie kondensatora.

Z  punktu widzenia użytkownika istotną różnicą między pamięciami ROM i RAM jest też to, że pamięci ROM są nieulotne, tj. ich zawartość nie ulega skasowaniu z chwilą wyłączenia zasilania, zaś pamięci RAM z chwilą wyłączenia zasilania tracą swą zawartość.

W tym wykładzie jest mowa o sposobach realizacji różnych rodzajów układów
umożliwiających zapamiętanie jednego bitu, w tym komórek pamięci RAM i ROM. Organizacja pamięci, układy odczytu, zapisu itp. będą omawiane w następnym wykładzie.

Przerzutnik Schmitta (inwerter z histerezą)

Układ zwany przerzutnikiem Schmitta jest na pograniczu między statycznymi bramkami kombinacyjnymi, a układami pamięciowymi. Właściwszą, ale niezbyt często używaną nazwą jest "inwerter z pętlą histerezy". Jest to bowiem układ mający charakterystykę przejściową podobną do charakterystyki przejściowej zwykłego inwertera, ale różni się od niego tym, że napięcie przełączania jest wyższe (UpH), gdy napięcie na wejściu narasta od zera do napięcia zasilania, a niższe (UpL), gdy napięcie na wyjściu opada od napięcia zasilania do zera, jak pokazuje przykładowa charakterystyka poniżej (dla technologii CMOS, w której napięcie zasilania wynosi 1,8 V).
Przerzutnik
                Schmitta - charakterystyka

Układ ten jest więc układem pamięciowym w takim sensie, że zapamiętuje kierunek, w jakim zmieniało się napięcie wejściowe. Stosowany jest głównie do eliminacji szumów i zakłóceń przy transmisji sygnałów cyfrowych. Gdy silnie zaburzony sygnał reprezentujący jedynkę logiczną zostanie podany na wejście zwykłego inwertera o napięciu przełączania Up, otrzymamy szereg przejść "0"->"1" i "1"->"0" zamiast pojedynczego impulsu prostokątnego. Przerzutnik Schmitta daje na wyjściu prawidłowy sygnał (ściślej mówiąc, jego negację - aby odtworzyć oryginalny sygnał, za przerzutnikiem Schmitta należy włączyć zwykły inwerter).
Przerzutnik
                    Schmitta - dzialanie


Przerzutnik Schmitta zawiera 6 tranzytorów. Tranzystory T3 i T6 wprowadzają dodatnie sprzężenie zwrotne. Łatwo sprawdzić, że gdy napięcie wejściowe jest równe zeru, tranzystory T1 i T2 są wyłączone, tranzystory T4 i T5 są włączone, więc na wyjściu panuje napięcie równe napięciu zasilania. Gdy napięcie wejściowe ma wartość równą napięciu zasilania, włączone są tranzystory T1 i T2, wyłączone - T4 i T5, a napięcie na wyjściu jest równe zeru. Dla skrajnych wartości napięcia wejściowego, odpowiadających logicznym stanom "0" i "1", układ zachowuje się więc jak zwykły inwerter.

Przerzutnik
                          Schmitta

Zmiana stanu wyjścia ("1" -> "0") przy zmianie stanu na wejściu ("0" -> "1") następuje wtedy, gdy tranzystory T1 i T2 włączają się, a tranzystory T4 i T5 zostają wyłączone. Gdy napięcie wejściowe narasta od zera, najpierw włącza się tranzystor T1 (gdy napięcie wejściowe osiągnie wartość równą jego napięciu progowemu). Tranzystor T2 włącza się dopiero wtedy, gdy napięcie między wejściem, a węzłem A osiągnie wartość równą jego napięciu progowemu, czyli gdy Uwe = U(A) + UTn. Dla tej granicznej wartości napięcia prąd płynący przez tranzystor T2 jest jeszcze znikomo mały, natomiast włączone są tranzystory T1 i T3, ich prądy drenów są więc równe. Przyrównując te prądy (przy założeniu, że oba tranzystory są w stanie nasycenia) otrzymujemy
Wzor W7-1  (W7-1)
skąd dla napięcia przełączania UpH otrzymujemy równanie
Wzor W7-2
(W7-2)
W podobny sposób otrzymać można równanie dla napięcia przełączania UpL:
Wzor W7-3
(W7-3)

Podstawowy statyczny przerzutnik bistabilny

Dwa inwertery można połączyć w taki sposób, że sygnał z wyjścia pierwszego inwertera jest podawany na wejście drugiego, a sygnał z wyjścia drugiego inwertera jest podawany na wejście pierwszego. Taki układ, jak łatwo się przekonać, ma dwa samopodtrzymujące się stany stabilne: gdy w węźle A jest stan "1", to w wężle B "0", i odwrotnie. Taki układ można więc użyć jako elementarną komórkę pamiętającą jeden bit informacji.

Przerzutnik
              statyczny

Aby przełączyć układ z jednego stabilnego stanu w drugi, trzeba wymusić na jednym z węzłów - A lub B - lub obu równocześnie napięcie odpowiadające przeciwnemu stanowi. Wymaga to sterowania z odpowiednio zaprojektowanego bufora sterującego, którym w najprostszym przypadku może być inwerter. Załóżmy, że taki inwerter steruje węzłem A, w którym panuje stan "1", czyli napięcie równe napięciu zasilania układu VDD. Załóżmy, że sterujący inwerter ma na wejściu stan "1", a więc na wyjściu powinien wymusić stan "0", czyli napięcie równe lub bliskie zeru. Powstaje wówczas sytuacja pokazana poniżej.

Przerzutnik -
            przełączanie

Analiza na poziomie sygnałów logicznych nie pozwala stwierdzić, czy w węźle A ustali się "0", czy też "1". Trzeba zbadać wartość napięcia w węźle A. Schemat zastępczy układu, w którym pominięto tranzystory znajdujące się w stanie odcięcia, pokazuje że napięcie w weźle A określone jest przez dzielnik napięcia złożony z tranzystorów T5 i T2. Oba znajdują się w stanie przewodzenia.

Przełączanie

Jeśli tranzystor T2 będzie miał bardzo małą rezystancję w stosunku do tranzystora T5, to napięcie w węźle A spadnie do wartości bliskiej zeru. Wówczas ulegnie przełączeniu inwerter złożony z tranzystorów T3 i T4, w węźle B pojawi się "1", czyli napięcie równe VDD, które przełączy inwerter złożony z tranzystorów T5 i T6. W ten sposób nastąpi zmiana stanu przerzutnika. Małą rezystancję tranzystora T2 osiąga się przez dobór odpowiednio dużej szerokości kanału.

Przy przełączaniu w drugą stronę (tj. zmianie stanu w weźle A z "0" na "1") dzielnik napięcia tworzą tranzystory T1 i T6. Tranzystor T1 musi mieć bardzo dużą szerokośc kanału, aby wymusić w węźle A napięcie bliskie VDD.

Zatem zmiana stanu przerzutnika wymaga sterowania go z inwertera mającego tranzystory (T1 i T2) o szerokościach kanału znacznie większych, niż szerokości kanałow tranzystorów T5 i T6 w przerzutniku. 

Wroc
Dalej


sem. 16L