ПЗУ И ПЛМ

Лекция №5
ПЗУ И ПЛМ
Классификация ПЗУ
А) ПЗУ с масочным программированием (на стадии изготовления)
Б) ПЗУ, программируемые потребителем (ППЗУ), которые в свою
очередь подразделяются на однократно программируемые и перепрограммируемые.
Стирание информации с помощью УФ облучения кристалла ИМС производится в стираемых программируемых ПЗУ (СППЗУ). Корпуса этих ИМС
имеют окно, закрытое кварцевым стеклом, для облучения кристалла. Электрическое стирание информации при подаче высокого напряжения на элементы памяти осуществляется в электрически программируемых ПЗУ (ЭППЗУ).
В большинстве случаев используются ПЗУ с асинхронным управлением,
в которых изменение выходных сигналов вызывается соответствующим изменением адресных сигналов.
ПЗУ с синхронным управлением имеют на выходе буферный регистр и
изменение их выходных сигналов происходит после смены адреса и подачи
на буферный регистр синхроимпульса.
Технология ПЗУ.
ПЗУ с масочным программированием могут изготавливаться как по биполярной, так и по КМОП технологии. Типовой способ программирования изменение конфигурации в шаблоне вскрытия окон в межслойном диэлектрике. Технология программируемых ПЗУ определяется способом программирования и стирания информации.
Быстродействующие ППЗУ с пережиганием плавких перемычек, как правило, изготавливаются по биполярной технологии. Программируются один
раз при повышенном напряжении питания. Перемычки изготавливаются из
металлических пленок сплавов нихрома, титана-вольфрама или силицида
платины. Иногда используют слои легированного поликремния. В процессе
программирования происходит обрыв электрической цепи.
рис. 5.1.
Основные недостатки таких ППЗУ:
а) Программируется менее 100 % ИМС, так как невозможно осуществить контроль программирования всех элементов ППЗУ для выявления производственных дефектов. Коэффициент программирования ИМС - 5070 %.
б) Отказы ИМС из-за восстановления металлических перемычек в процессе эксплуатации. Распыленный металл постепенно кристаллизуется, как
ледяные узоры на стекле. Элементы ППЗУ с окислением поликремния более
надежны, не восстанавливаются.
Быстродействующие ППЗУ с пробоем p-n-переходов изготавливаются по
биполярной технологии, программируются один раз при повышенном напряжении питания. В структуре элемента памяти присутствует диод с низ
рис. 5.2.
ким пробивным напряжением (47В). В процессе программирования диод
переходит в режим теплового пробоя, металл омического контакта проплавляет p-n-переход, что приводит к замыканию электрической цепи. Коэффициент программирования также меньше 100 %, запрограммированные элементы состояния не меняют.
СППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации изготавливаются по
КМОП или n-МОП технологии, программируются много раз при повышенном напряжении питания. В незапрограммированном состоянии пороговое
напряжение МОП - транзистора низкое. При программировании на затвор подается высокое напряжение (25-40В). Под действием электрического поля
электроны проникают через тонкий слой окисла в плавающий затвор, заряжая его отрицательно, пороговое напряжение транзистора повышается
рис. 5.3.
(>5 В), образуется обрыв электрической цепи. Удаление электронов с плавающего затвора проводится ультрафиолетовым облучением. Основной недостаток - низкое быстродействие. Преимущество - низкая стоимость.
ЭППЗУ с МНОП транзисторами очень похожи на СППЗУ с плавающим
затвором. Роль плавающего затвора выполняет пограничная область между
нижним слоем окисла и верхним слоем нитрида кремния. Так как структура
МНОП транзистора еще тоньше, чем у транзистора с плавающим затвором,
то удается электрическим полем не только записывать, но и стирать информацию в элементе памяти.
В самых новых разработках ЭППЗУ удалось реализовать электрическое
стирание информации в тонкослойных транзисторах с плавающим затвором
и туннельным окислом.
Применение ПЗУ и ПЛМ
1. В ЭВМ - это энергонезависимая память программ и констант.
2. Генерация специальных функций в ЭВМ и радиотехнике, синтез речи.
3. Генерация символов в дисплеях и принтерах.
4. Микропрограммное управление процессорами.
5. Преобразование кодов (кодовая защита).
6. Реализация комбинационных схем на ПЗУ.
Примеры:
а) Генерация аналогового сигнала.
V
V
t
t
Выход фильтра
Выход ЦАП
рис. 5.4.
Преимущество метода: генерация произвольных функций, высокая
точность. Точность определяется разрядностью ЦАП и емкостью ПЗУ. Для
генерации синусоидального сигнала с амплитудными искажениями менее
0.5 % требуется 8-разрядный ЦАП и емкость ПЗУ - 2 Кбит.
б) Микропрограммное управление.
рис. 5.5.
Программируемые логические матрицы - ПЛМ.
Технология ПЛМ аналогична технологии ПЗУ с масочным программированием. Структура ПЛМ также напоминает ПЗУ. Отличие состоит в программировании не только матрицы элементов памяти, но и матрицы дешифратора. ПЛМ состоит из двух матриц: матрицы “И” и матрицы “ИЛИ”. Информация в ПЛМ хранится в форме логических выражений, тогда как в ПЗУ в форме таблицы истинности. Основное назначение ПЛМ - реализация комбинационных схем. В ПЛМ меньше избыточность информации и удается записать
больший объем информации, чем в ПЗУ того же размера.
X1
X1
X1
X1
X1
X1
X2
X2
X2
X2
X2
X2
X3
X3
X3
X3
X3
&
X3
&
&
1 F=X1X2X3+
&
&
X1X2X3
P1=X1X2X3
P2=X1X2X3
рис. 5.6.
Вертикальные линии, проходящие через обе матрицы, называются линиями произведений. ПЛМ реализуют любые комбинационные схемы из вентилей “И” и “ИЛИ”, образующие двухступенчатую структуру.
Существуют ПЛМ с выходными буферами (аналогично ПЗУ), которые
используются для реализации последовательных схем. Выходы триггеров соединяют со входами матрицы “И”. Количество выходных триггеров обычно
меньше числа выводов ИМС, т.к. триггера занимают значительную площадь
на кристалле. При программировании ПЛМ имеется возможность выборочного подключения триггеров к выходам, а также выбор прямого или инверсного значения выходной функции.
Электрическая схема ПЛМ построена на самых простых и быстродействующих вентилях, реализующих функцию ИЛИ/НЕ в позитивной логике (логический “0” - низкое напряжение) или И/НЕ в негативной логике (логический “0” - высокое напряжение). При использовании негативной логики функции ПЛМ реализуются двухступенчатой структурой из вентилей И/НЕ.
Объем ПЛМ с двухступенчатой структурой не может быть очень большим, так как построение вентилей с большим числом входов снижает их быстродействие. Число линий произведений обычно не превышает 150. В противоположность этому объем ПЗУ может быть очень большим, что достигается разбиением накопителя на блоки и использованием нескольких дешифраторов.
Наряду с ПЛМ с фиксированными соединениями существуют также логические матрицы, программируемые потребителем (ППЛМ). Требуемая схема формируется путем пережигания плавких перемычек, включенных последовательно с диодами или биполярными транзисторами. В этом случае на
кристалле имеется специальная схема для пережигания перемычек, что увеличивает занимаемую площадь примерно на 40 %. При небольшом требуемом числе микросхем использование ППЛМ очень выгодно.
ПЛМ с предварительной дешифрацией позволяют увеличить объем запрограммированной информации. В обычной ПЛМ на горизонтальные линии
матрицы “И” подаются прямые и инверсные значения входных переменных.
В ПЛМ с дешифрацией - произведения от этих переменных в разных комбинациях. При объединении входных переменных по две на один дешифратор
число горизонтальных линий не увеличивается, а число вертикальных линий
может быть сокращено за счет реализации части функций “И” в дешифраторах. Сокращается число входов в логических элементах, что повышает общее
быстродействие ИМС.
В обычных ПЛМ реально используется в схеме только около 10 % транзисторов в матрице “И” и 4 % в матрице “ИЛИ”. Повышение коэффициента
использования транзисторов в матрицах “И” и “ИЛИ” достигается в комбинированных ПЛМ.
Комбинированная ПЛМ состоит из четырех ПЛМ, объединенных в схему, как показано на рисунке. Выходы разных логических элементов объединены на одни и те же линии. В процессе программирования эти линии перерезаются в соответствии с реализуемыми функциями. В схеме имеется возможность заме
X1X2
X1X2
X1X2
X1X2
X3X4
X3X4
X3X4
X3X4
ны выходных функций дешифраторов&путем соединения линий внутри них.
Поперечные шины используются для объединения вертикальных линий проX1X2X3X4
изведений левой и правой частей ПЛМ. Такие комбинированные ПЛМ программируются двумя фотошаблонами. Их основное преимущество - это возможность выбрать оптимальную конфигурацию матриц “И” и “ИЛИ” и повыРис. 5.7.
сить информационную плотность.
“И”
X1
X3
X2
X4
X1
“ИЛИ”
“И”
X5
X7
X6
X8
Рис. 5.8.