ЗЭ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Абсолютное большинство ЗУ внутренней памяти современных ЭВМ (а в универсальных ЭВМ общего назначения – 100%) построено на полупроводниковых ЗЭ. По сравнению с другими типами ЗЭ полупроводниковые ЗЭ имеют ряд существенных преимуществ. Основными преимуществами являются большее быстродействие, компактность, меньшая стоимость, совместимость по сигналам с логическими схемами, технологичность.

По типу ЗЭ различают биполярные ЗУ с ЗЭ, построенными на биполярных транзисторах ( по ТТЛ - или ЭСЛ – схемам ), и МОП-ЗУ с ЗЭ, построенными на МОП-структурах.

Оба типа ЗУ широко используются, но имеют свои преимущества и недостатки. Биполярные ЗУ более быстродействующие и хорошо стыкуются с ТТЛ – и ЭСЛ
–логикой. Но в настоящее время они еще довольно дороги и используются главным образом в качестве быстродействующих памятей, таких как управляющая память, СОП, кэш. Кроме того, такие ЗУ потребляют много энергии и имеют невысокую плотность упаковки элементов в кристалле. Запоминание информации в биполярных ЗУ происходит в триггерных ячейках, построенных на многоэмиттерных транзисторах. Это статические ЗУ, поскольку при включенном питании информация хранится в них любое время без регенерации.

МОП-ЗУ бывают как статическими, так и динамическими. В первом случае они построены на ЗЭ в виде триггеров. Во втором случае хранение информации основано на заряде "запоминающих емкостей", в качестве которых используются емкости некоторых цепей схемы. Это либо паразитная емкость затвора МОП-транзистора, либо специально сформированная емкость сток МОП-транзистора – подложка. Поскольку указанные емкости имеют ток утечки, то информацию в таких ЗУ необходимо регенерировать примерно через каждые 2 мс ( операция называется рефреш ). МОП-ЗУ сравнительно дешевы, потребляют мало энергии, имеют очень высокую плотность элементов на кристалле и, следовательно, большие емкости ЗУ в одном корпусе микросхемы. В настоящее время МОП-ЗУ широко используются для построения основной (оперативной) памяти ЭВМ различных классов. МОП-ЗУ менее быстродействующие, чем биполярные ЗУ.

Рассмотрим более подробно структуру полупроводникового ЗЭ на биполярных транзисторах и ЗЭ на МОП-структурах, в котором информация сохраняется в паразитной емкости затвора.

 

Биполярный ЗЭ

Простейший вариант биполярного ЗЭ представляет собой триггер на двух многоэмиттерных транзисторах с непосредственными связями, структура которого приведена на рис. 4.10. Запоминающие устройства на ЗЭ такого типа строятся по схеме 3D.

Эмиттеры 11 и 21 являются парафазными информационными входами ЗЭ и служат для записи в триггер 1 или 0. Эти же эмиттеры используются как выходы при считывании информации. Адресные эмиттеры 12, 22, 13, 23 образуют два конъюнктивно связанных входа выборки.

В режиме хранения (ЗЭ не выбран) эмиттерный ток открытого транзистора за­мыкается на землю через адресные эмиттеры и адресные линии (по крайней мере, через одну из линий), находящиеся под потенциалом логического 0 (£ 0.4 В). На входы усилителей записи подается такой уровень сигнала, чтобы на выходах невозбужденных усилителей записи напряжение было порядка 1-1.5 В, т.е. больше максимального уровня логического нуля (0.4 В) и меньше минимального уровня логической единицы (2.4 В). Это напряжение (1-1.5 В) подается на информационные эмиттеры, и они заперты.

При выборке данного ЗЭ на его адресные эмиттеры с выходов адресных дешифраторов поступает потенциал логической 1 (≥ 2.4 В), превышающий потенциал информационных эмиттеров. Поэтому адресные эмиттеры оказываются запертыми, а коллекторный ток открытого транзистора течет через информационный эмиттер, чем обеспечивает возможность считывания и записи в него информации. Состояние ЗЭ распознается по наличию тока соответственно в разрядной линии 0 (открытый Т1) или в разрядной линии 1 (открытый T2). Считывание происходит без разрушения информации и может быть многократным.

Хранимая в ЗЭ информация доступна для считывания все время, пока ЗЭ находится в выбранном состоянии (на обеих адресных линиях выставлена логическая единица) и в него не проводится запись. Поскольку Rвых открытого усилителя записи очень мало и шунтирует вход усилителя считывания (в него ответвляется большая часть тока считывания), в режиме считывания выходные каскады усилителя записи переводят в Z-состояние. Его Rвых при этом резко повышается, причем , т.е. весь ток информационного эмиттера протекает через усилитель считывания. Таким образом, на выходах усилителей считывания появится соответствующий состоянию выбранного ЗЭ парафазный сигнал.

 

 
 

В режиме записи на входы усилителей записи синхронно с импульсами выборки подаются парафазные сигналы соответствующего символа (0 или 1). Так, для записи 1 в ЗЭ необходимо подать на вход левого усилителя записи (Зп0) 0, а на вход правого усилителя записи (Зп1) – 1. Для записи в ЗЭ нуля – все наоборот.

 

Пример 1

В ЗЭ записан 0, т.е. T2 заперт, T1 открыт. Происходит запись в ЗЭ единицы. С учетом инверсии в усилителе записи на эмиттер 21 попадает низкий уровень, а на эмиттер 11 – высокий. В результате T1 закрывается, T2 – открывается и ЗЭ переходит в состояние 1.

 

Пример 2

В ЗЭ записан 0, т.е. T2 заперт, T1 открыт. Происходит запись в ЗЭ ноля, т.е. на вход левого усилителя записи (Зп0) подается 1, а на вход правого (Зп1) – 0. В результате на эмиттер 21 попадает высокий уровень, а на эмиттер 11 – низкий. При этом состояния T1 и T2 не изменяются.

 

Интегральная микросхема биполярного ЗУ представляет собой кристалл кремния, в котором образован массив ЗЭ (триггеров) со всеми межсоединениями, а также адресные дешифраторы, усилители-формирователи записи и считывания и другие схемы управления адресной выборкой, записью и считыванием. Для повышения быстродействия ЗУ эти схемы могут быть выполнены на основе ЭСЛ-элементов, работающих в линейном режиме, в то время как построенные на основе ТТЛ-элементов триггеры ЗЭ работают с насыщением. В таком случае кристалл содержит схемы согласования уровней сигналов от схем ТТЛ к схемам ЭСЛ и обратно.

 

МОП-ЗЭ

Структура ЗЭ динамического МОП-ЗУ приведена на рис. 4.11. Запоминающее устройство такого типа строится по схеме 2D-M.

 
 

Как уже отмечалось, в ЗУ типа 2D-M адрес ячейки i делится на две части i¢ и i², которые соответственно поступают на БАВ и РАдрК. Запоминающей емкостью служит паразитная емкость С затвора транзистора Т2. Линия разрядно-адресного коммутатора i² используется для ввода в ЗЭ бита информации при записи и съема его при считывании. Поскольку ЗЭ использует источник питания только при считывании, то им может служить паразитная емкость Сi² линии i².

Предварительно перед считыванием от РАдрК подается сигнал R, с помощью которого подготавливается считывание с мультиплексированием для ЗЭ, выбираемых линией i¢. Сигнал R открывает транзистор Т4, и емкость Сi² подзаряжается от источника +E. Затем на линию i¢ подается от БАВ сигнал считывания – промежуточный уровень сигнала CWR (Control write/read), который открывает транзистор Т3, но не может открыть Т1. Пусть емкость С заряжена (т.е хранит 1) и транзистор T2 открыт. В этом случае через открытые транзисторы Т3 и Т2 конденсатор Сi² разряжается и низкий уровень (уровень 0) сигнала D на линии i² указывает, что ЗЭ хранил инверсное значение, т.е. 1. Если ЗЭ хранит 0, то емкость С разрежена, Т2 закрыт и сигнал CWR не может вызвать разряд емкости Сi². Высокий уровень сигнала D (уровень 1) указывает, что ЗЭ хранил 0. Далее сигнал D через разрядно-адресный коммутатор поступает на выход ЗУ.

 

При записи на линию i² поступает сигнал D, соответствующий записываемому двоичному символу. Затем на линию i¢ подается высокий уровень сигнала CWR, открывающий транзистор Т1, который подключает к линии i² конденсатор С. В результате независимо от своего предыдущего состояния емкость оказывается заряженной, если записывается 1, и разряженной, если записывается 0.

Следует отметить, что ЗЭ динамических ЗУ имеют разную сложность и количество используемых транзисторов. В настоящее время наиболее часто используются ЗЭ, построенные на одном транзисторе.

Независимо от типа ЗЭ динамические ЗУ требуют периодической регенерации. Первоначально операциями регенерации памяти занимался процессор. Однако по мере развития элементной базы ЭВМ функции регенерации памяти стали выполняться на более низком уровне. Для регенерации стали использовать один из каналов контроллера прямого доступа к памяти (см. п. 11), а затем только контроллер памяти. В настоящее время схемы регенерации во многих случаях располагаются непосредственно в самом кристалле памяти, и от разработчика не требуется специальных мер по организации этого процесса. Такие ЗУ часто называют квазистатическими. Между тем процесс регенерации информации в отдельных БИС памяти все равно требует некоторой синхронизации. Эта задача в ЭВМ различной архитектуры решается по-разному, в частности в IBM PC контроль над процессом регенерации памяти включен в функции чипсета (см. п. 10).