Post on 19-Aug-2019
Sisteme cu circuite integrate digitale
Memorii semiconductoare
Prof. dr. ing. Sorin Hintea
Departamentul Bazele Electronicii
Cuprins
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 2
Memorii ROM
Memorii ROM
Memorii PROM
Memorii EPROM
Memorii EEPROM, Flash, MLC
Aplicatii cu memorii ROM
extinderea capacitatii de meorare
automate de stare
generatoare de secvente binare
Memorii RAM
Memorii SRAM
Memorii DRAM
Operatia de citire si scriere a memoriilor RAM
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 3
Definitii
Memorii semiconductoare – circuite electronice, realizate in siliciu, care au rolul de-
a stoca date binare
Memorii nevolatile – informatia inscrisa nu se pierde la decuplarea alimentarii
ROM, PROM, EPROM, EEPROM
Memorii volatile - informatia inscrisa se pierde la decuplarea alimentarii
RAM static (SRAM), RAM dinamic (DRAM), registre FIFO si LIFO
Parametrii de performanta:
Capacitatea de memorare
Timpul de acces: scriere si/sau citire
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 4
Memorii ROM
ROM – Read Only Memory → memorie nevolatila care poate fi doar citita
matrice de memorie de dimensiuni 2n linii si m coloane
decodificator de adresa cu n intrari → decodifica 2n linii
Capacitatea memoriei → numarul total de celule de memorare 2n x m.
Decodificatorul selecteaza una din cele 2n linii
La iesire se citeste continutul memorat pe linia respectiva
2n linii
m coloane
Systems with Digital Integrated Circuits – Semiconductor memories 5
ROM memories – the memory cell
Celula de memorare este plasata la intersectia unui rand cu o coloana
Fiecare celula este implementata cu un tranzistor MOS cu canal n
Toate tranzistoarele de pe o coloana au iesirea legata impreuna la VDD → pull-up →
valoare logica ‘1’
Exista o sarcina comuna pentru fiecare coloana realizata cu un tranzistor cu canal
initial n
Tranzistorul este comandat (selectat) cu bitul de selctie Wk
Tranzistorul este comandat ON si realizeaza scurt-circuitul la masa → pull-down →
valoare logica ‘0’
...
...
...
...
...
...
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 6
Memorii ROM – celula de memorare
Celula de memorare este implementata cu un tranzistor selectat cu cuvantul de
adresa si trebuie sa fie ON sau OFF, in functie de informatia programata
Programarea ROM este realizata in timpul procesului de fabricatie a CI folosind
mai multe metode
Un contact de metal conecteaza un tranzistor la linia de date (bit line): prezenta
sau absenta contactului metalic determinand valoarea de ‘0’ sau ‘1’ la iesire;
Un strat subtire sau mai gros de oxid de poarta, care creeaza fie un tranzistor
standard, fie unul cu tensiune de prag mare (acesta din urma va fi intotdeauna in
starea OFF).
MASK PROGRAMMABLE ROMs
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 7
Memorii ROM – structura matricei de memorie
Matrice de 2n linii si m coloane
Celula de memorare se gaseste la intersectia unei coloane si linii de memorie
Progarmarea se face cu o masca de proiectare de catre fabricant → memoria poate fi
doar citita
timp lung si costuri mari de productie
Exemplu: memorie ROM 2 x 6
Continutul memoriei:
0 1 1 0 0 0
1 0 0 0 1 0
Systems with Digital Integrated Circuits – Semiconductor memories 8
ROM memories – the memory cell
Programarea memoriilor ROM se face de catre un producator de CI cu masca
programabila → memoria poate fi doar citita de utilizator
Timpul de productie este mare iar costurile ridicate
Este nevoie de productia unei serii relativ mari de cipuri ( de ordinul miilor)
pentru a acoperi costurile de productie, care sunt in jur de 20 k Euro
Aplicatii
Memoriile ROM sunt foarte raspandite si astazi, pastrandu-si importanta dupa
decenii de la introducerea lor;
Folosite pentru a stoca informatii vitale pentru functionarea computerelor
(BIOS), echipamente de masurare, aparate electrocasnice, etc.
Alte aplicatii: stocarea programelor pentru jocurile video, baze de date cu sunete
in instrumentele electronice muzicale , coduri software pentru microcontrolere
folosite in aplicatii industriale
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 9
Memorii PROM
PROM – Programmable Read Only
Memory → programabrea se realizeaza de
utilizator prin arderea unui fuzibil sau
antifuzibil
programarea este ireversibila
metal
metal
antifuzibil
(dielectric)
Fuzibil → material cu rezistivitate mica
(scurt circuit), care se arde la trecerea unui
curent de valoare mare
realizeaza o intrerupere intre doua cai
metalice
Antifuzibil → material dielectric care isi
schimba permanent starea din rezistivitate
mare (intrerupere) in rezistivitate mica (scurt
circuit) la aplicarea unei tensiuni mari
realizeaza o conexiune intre doua cai
metalice
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 10
Memorii EPROM
EPROM – Erasable Programmable
Read Only Memory → memorie ROM
programabila care poate fi stearsa de
catre utilizator
elementul de memorie → tranzistor
cu grila flotanta
grila flotanta este ingropata in
materialul dielectric dintre grila de
comanda si substrat
hot electron injection –
impulsuri de tensiune (5 - 20V)
creeaza un camp lateral puternic,
provoacand accelerarea
electronilor si injectarea de sarcini
in grila flotanta → grila flotanta se
incarca negativ, marind tensiunea
de prag a tranzitorului
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 11
Memorii EPROM
Scrierea memoriei EPROM
celulele de memorie contin implicit ‘0’
inscrierea ‘1’ → se aplica impulsuri de
tensiune pentru a modifica Vth
Citirea bitului memorat → se compara tensiunea de
prag cu un nivel de referinta
Stergerea memoriei → celulele de memorie sunt
expuse la un flux de radiatii ultraviolete printr-o
fereastra de cuart de pe carcasa memoriei
radiatia UV determina descarcarea sarcinilor
negative din grila flotanta
costuri ridicate → fereastra de cuart pe
carcasa de ceramica a cipului, dotarea cu un
generator UV, timp de stergere aprox 20 minute
Alternativa: One-time programmable (OTP)
Vth1
ID
VGS
Vref
Vth0
‘1’
logic
‘0’
logic
T - on
T - off
ΔVth
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 12
Memorii EEPROM
EEPROM – Electronically Erasable Programmable Read Only Memory →
memorie ROM programabila care poate fi stearsa prin metode electrice
oxidul de sub grila flotanta este mai subtire decat la EPROM
descarcarea sarcinilor din grila flotanta se bazeaza pe efectul de tunelare
Fowler–Nordheim, si se realizeaza prin aplicarea unei tensiuni mari pe grila de
comanda care induce un camp vertical puternic in oxidul de sub grila
necesita doi tranzitori pe bit: tranzistor de selectie si tranzistor de stocare
Acces celula EEPROM → Wk = ‘1’
Scrierea memoriei EEPROM
grila flotanta este implicit incarcata (Vth
ridicat) → ‘1’
se aplica impulsuri de tensiune pentru a
descarca grila ingropata (Vth scazut) → ‘0’
Stergerea memoriei → se incarca grila flotanta
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 13
Memorii Flash
Memoria Flash → se bazeaza pe principiul EEPROM
Single-level Cell (SLC) necesita un tranzistor pe celula de memorie
Multi-level Cell (MLC) → ia in considerare caracterul analogic al incarcarii
grilei flotante – tensiunea de prag (Vth) poate fi modificata la mai multe nivele
discrete: 4 nivele → 2 biti/celula, 8 nivele → 3 biti/celula, etc.
Organizare ierarhica: memorie → plan → bloc → cuvinte + pagini → celule
Permite stergerea unor blocuri intregi comparativ cu EEPROM unde se pot
sterge informatii la nivel de bit
Are densitate mai mare (nu necesita al doilea tranzistor pentru fiecare celula)
Exemplu: memorie de 64 Gb:
4 biti / celula (16 nivele Vth)
64K celule / pagina
256 pagini / bloc
2K blocuri / plan
2 planuri
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 14
Aplicatii cu memorii ROM
Extinderea capacitatii de memorare pe linii
exemplu – memorie 4x4 la memorie 8x4 (3 adrese)
Este nevoie de doua blocuri de memorie 4x4
primul bloc – liniile 0 – 3
al doilea bloc – liniile 4 – 7
A2 – MSB se leaga la CS – face selectia intre blocurile
de memorie
A1 si A0 se leaga la intrarile de adresa
Iesirile se leaca impreuna
mem
4x4
mem
4x4
8 linii
4 coloane
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 15
Aplicatii cu memorii ROM
Extinderea capacitatii de memorare pe coloane
exemplu – memorie 4x4 la memorie 4x8 (8 iesiri)
Este nevoie de doua blocuri de memorie 4x4
primul bloc – coloanele 0 – 3
al doilea bloc – coloanele 4 – 7
A1 si A0 se leaga la intrarile de adresa
cele 8 iesiri (4 de al fiecare bloc) reprezinta iesirile
memoriei
CS1
CS0
A1
A0A0
A1
ROM 4x4
O0
O1
O7
A0
A1
ROM 4x8O0
O3
O0
O3
O0
O1
O2
O1O1
O2
O3
O2
O4
O7
O5
O6
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 16
Aplicatii cu memorii ROM
Extinderea capacitatii de memorare pe linii si coloane
exemplu – memorie 4x4 la memorie 4x8 (8 iesiri)
Este nevoie de patru blocuri de memorie 4x4
blocurile 1 cu 3 si 2 cu 4 – extindere pe linii
blocurile 1+3 si 2+4 – extindere pe coloane
mem3
4x4
mem4
4x4
8 linii
8 coloane
mem1
4x4
mem2
4x4
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 17
Aplicatii cu memorii ROM
Extinderea capacitatii de memorare pe linii si coloane
exemplu – memorie 64x4 la memorie 256x8
O0
O1
O2
O3
A0
A1
A5
A6
A7
ROM 256x8
O0
O1A0
O2
O3
A1
GCS3
CS2
CS1
CS0
A5
A0
A6
A7
A0
A5
DCD 2:4
ROM 64x4
O0
O3
O0
O3
O0
O0
O0
CS3
CS2
CS1
CS0
A5
A0A0
A5
ROM 64x4
O4
O7
O0
O3
O0
O0
O0
O4
O5
O6
O7
Bancul 1
Bancul 2
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 18
Aplicatii cu memorii ROM
Extinderea capacitatii de memorare pe linii si coloane
exemplu – memorie 64k x2 la memorie 1M x8
O0
O1
O2
O3
A0
A1
A17
A18
A19
ROM 1Mx8
O0
O1A2
O15
A3
G
CS0
CS1
CS15
A15
A0
A17
A19
A0
A15DCD 4:16
ROM 64kx2
O0
O1
O0
O1
O0
O0
O4
O5
O6
O7
Bancul 1
Bancul 4
O1
O1
16
CS0
CS1
CS15
A15
A0
ROM 64kx2
O6
O7
O0
O1
O0
O0
O1
O1
16
A0
A1
A18
A16
CS0
CS1
CS15
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 19
Aplicatii cu memorii ROM
Circuite combinationale
exemplu – sumator complet pe 2 biti cu mem 32x8
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 20
Aplicatii cu memorii ROM
Automate secventiale
exemplu – numarator modulo 6 cu
bistabile JK si memorie 32x8
Q2 Q1 Q0
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
Q2+ Q1
+ Q0+
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
0 0 0
X X X
X X X
J2 K2 J1 K1 J0 K0
0 X
0 X
0 X
1 X
X 0
X 1
X X
X X
0 X
1 X
X 0
X 1
0 X
0 X
X X
X X
1 X
X 1
1 X
X 1
1 X
X 1
X X
X X
J2
K2
CK
Q2
Q2 J0
K0
CK
Q0
Q0
CK
J1
K1
CK
Q1
Q1
A0
A1
A2
A3
A4
O0
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
ROM32x8
K2
J2
K1
J1
K0
J0
Q1
Q2
Q0
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 21
Aplicatii cu memorii ROM
Generator de semnale cu numarator 74163 si memorie 32x8
numaratorul se foloseste pentru a genera secventele dorite, iar comenzile
numaratorului se citesc din memorie
S = QC
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 22
Aplicatii cu memorii ROM
Automate de stare cu numarator 74163 si memorie 32x8
numaratorul se foloseste pentru a genera starile, iar comenzile numaratorului se
citesc din memorie
0000
a
aa
a
Nr+I
0001 0010 0011
0100010101100111
a
a
M+Nr Nr M+Nr
Nr
a
1
a
1
a
a
Nr+INrI+I
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 23
Aplicatii cu memorii ROM
Generator de semnale cu numarator 74163 si memorie 32x8
numaratorul se foloseste ca numarator de adrese, iar secventele generate se vor
scrie in memorie
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 24
Memorii RAM
RAM – Random Access Memory → memorie cu acces aleator
memorie volatila
acces aleator → fiecare celula ce memorie poate fi accesata independent, la
orice moment, la aceeasi viteza, in orice locatie (linie si coloana)
Clasificare
Static RAM
Dynamic RAM
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 25
Memorii RAM
Structura memoriei RAM:
arie de celule de memorare
circuit de adresare pe linii si coloane
circuit de conditionare coloane
circuit de scriere/citire
amplificatoare de sesizare
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 26
Memorii RAM – celula SRAM
SRAM – Static RAM→ două stări stabile,
‘0’ sau ‘1’ logic
Celula elementara SRAM → latch
implementat cu doua inversoare, in conexiune
de reactie pozitiva
Principiul de functionare
etapa de urmarire (track) → latchul
este într-o stare pasivă, la intră-rile sale
Q şi Qb se aplică un bit (ex. Q = ‘1’ si
Qb = ‘0’)
etapa de agăţare şi menţinere (hold)
→ tensiunile de intrare sunt decuplate ,
latchul detectează diferenţa de tensiune
Q-Qb care este amplificata pana la
tensiunile de alimentare prin mecanismul
de reactie pozitiva → regenerarea
nivelelor logice
BL
WL
BLQ Qb
track hold
Celula SRAM cu 6 tranzistoare
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 27
Implementarea CMOS a celor doua
inversoare
Tranzistoarele de acces implementate
cu comutatoare NMOS
Word Line (WL) – selecteaza linia de
memorie, si implicit celula SRAM
Bit Line (BL) – aceeasi cale pentru
scrierea si citirea celulei SRAM
Acces diferential (BL si BLn) –
accelereaza circuitul si imbunatateste
precizia in conditii de variatii a
parametriclor si regimului de functionare
Consum redus de putere – tranzistoarele
conduc in stare metastabila, astfel celula
SRAM 6T cosuma numai putere dinamica
Celula SRAM cu 12 tranzistoare
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 28
Implementarea CMOS a celor trei
inversoare si a portii de transmisie
Inversoarele 1 si 3 contin 2 tranzistoare
de acces
Cai separate pentru scrierea si citirea
selulei SRAM
Acces asimetric – o singura conexiune
la linia de date BL
Consum redus de putere – tranzistoarele
conduc in stare metastabila, astfel celula
SRAM 6T cosuma numai putere dinamica
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 29
Memorii RAM – inscrierea memoriei
Celula de memorie este selectata prin adresa de linie si coloana
Se aplica comanda de scrieie Rn/W = ‘1’
Semnalul de intrare (valoarea de memorat) este aplicat pe linia de date – Bit Line
(BL)
Semnalul de selectie de linie Word Line (WL) inchide tranzistoarele de acces in
celula de memorie si permite accesul semnalului de intrare in celula.
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 30
Memorii RAM – citirea memoriei
Linia de date este preincarcata la valoarea ‘1’ (precharge)
Linia de memorie este selectata prin adresa de linie
Se aplica comanda de citire Rn/W = ‘0’
Semnalul de selectie de linie Word Line (WL) inchide tranzistoarele de acces in
celula si permite citirea valorii memoriate.
Nivelul logic de pe linia de date BL este fortat la valoarea continuta in celula
Celula DRAM
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 31
Elementul de memorare – condensator
‘1’ logic – condensatorul incarcat
‘0’ logic – condensatorul descarcat
Elementul de acces celula – tranzistor NMOS
Structura mult mai compacta (1C si 1T)
comparativ cu celula SRAM (6T sau 12T)
pentru aceeasi capacitate de memorare
are arie mult mai mica pe silicu
Linia de date – Bit Line (BL)
Selectia de linie – Word Line (WL)
BL
WL
VCC
Celula DRAM – scriere si citire
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 32
Scriere: pe linia de date BL se aplica valoarea de memorat, semnalul de selectie WL
pune tranzistorul in conductie iar condensatorul se incarca la valoare de pe BL
Citire: linia de meorie e selectata de WL, iar nivelul de tensiune de pe linia de date
BL e stabilit de valoarea la care e incarcat condensatorul
Intre scriere si citire
condensatorul se poate descarca.
Celula DRAM necesita
reimprospatare periodica
BL
WL
VCC
Sisteme cu circuite integrate digitale – Memorii 33
Bibliografie
http://web.eecs.umich.edu/~prabal/teaching/eecs373-f10/readings/rom-eprom-eeprom-
technology.pdf
http://smithsonianchips.si.edu/ice/cd/MEMORY97/SEC10.PDF
J. Wakerly – Digital Design, Principle & Practices, Prentice Hall, 1999
Willy M. C. Sansen – Analog Design Essentials, Springer, 2006
Rabaey J.M., Chandrakasan A., Nikolic B. Digital Integrated Circuits. A design perspective.
Prentice Hall, 2003.
Weste N.H.E, Harris D. CMOS VLSI Design. A Circuits and Systems Perspective. Pearson
Addison Wesley, 2005. http://www3.hmc.edu/~harris/cmosvlsi/4e/
H. Kaeslin, “Digital Integrated Circuit Design From VLSI Architecture to CMOS Fabrication”,
Cambridge University Press, 2008.
Ercegovac, M., Lang T., Moreno J. Introduction to Digital Systems. John Wiley &Sons Inc,
New-York, 1999
Sorin Hintea, Mihaela Cirlugea, Lelia Festila. Circuite Integrate Digitale. Editura UT Press,
Cluj-Napoca, 2005
Sorin Hintea. Tehnici de proiectare a circuitelor digitale VLSI. Casa Cartii de Stiinta. Cluj-
Napoca, 1998