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              MOS存貯器-隨機存取貯器(RAM)結構和讀寫過程的特征

              信息來源: 時間:2020-11-16

              MOS存貯器-隨機存取貯器(RAM)結構和讀寫過程的特征

              在MOS集成電路中,可以根據電路的復雜程度和每個芯片所含的元件多少,分為小規模集成電路image.png、中規模集成電路image.png、大規模集成電路image.png和超大規模集成電路image.png。一般認為,每芯片含有100個元件以下,為小規模集成電路;100~1000個元件為中規模集成電路;1000個元件以上的為大規模集成電路;10萬個元件以上為超大規模集成電路。MOS隨機存儲器ram。

              在MOS大規模集成電路領域中,最有重要地位的是存貯器,如由移位寄存器組成的串行存貯器、隨機存取存貯器(RAM)、只讀存貯器(ROM)和可編程序只讀存貯器等幾種類型。與MOS器件的基本結構形式相似的電荷耦合器件(CCD),由于具有結構簡單,使用范圍廣等優點,目前發展速度極為迅速,已成為大規模集成電路的新秀。

              本章主要介紹MOS存貯器中的隨機存取存貯器、只讀存貯器及電荷耦合器件的工作原理和電路結構。

              MOS存貯器

              MOS存貯器是一種能存取邏輯信息的功能部件,大量的存貯器便可組成存貯系統,它是各種類型電子計算機的主要組成部分之一,也廣泛地被其它電子技術所采用。MOS隨機存儲器ram它好象人的大腦皮層一樣,,能把計算機工作所需的指令及運算的數據存貯起來,或者按需要取出。存貯器的需求是大量的,它的性能優劣,直接影響著電子計算機的水平。

              一、隨機存取存貯器(RAM)

              隨機存取存貯器(RAM),由許多存貯單元組成,它的每一個存貯單元,都可按一定要求的順序,存入或取出所需的二進制信息。MOS隨機存取存貯器有靜態和動態兩種。動態RAM 具有功耗低、集成度高、速度快的優點;靜態RAM性能穩定,使用方便。

              一個完整的MOS存貯器系統,應包括存貯陣列、地址寄存器、地址譯碼器、讀/寫驅動器、再生放大器、讀/寫控制、數據寄存器,時序脈沖發生器等部件,如圖4-1所示。


              MOS隨機存儲器ram


              下面我們將著重介紹存貯器中存貯單元的結構及其存貯原理,并結合工作原理簡要介紹幾個典型存貯器的完整結構,以便對隨機存取存貯器有個完整的了解。

              1、靜態MOS存貯單元

              (1)單溝道六管靜態存貯單元

              圖4-2為六管靜態存貯單元,它是靜態MOS RAM陣列中的一個最小重復單元,可以存貯“1”或“0”兩種信1os息。靜態MOS存貯單元本質上是個觸發器,它是由兩個相互反饋的倒相器構成。,MOS隨機存儲器ram為了能夠讀出或寫入數據,在基本觸發器的兩個輸出端分別連接了兩個受讀/寫位線D寫控制的耦合器件image.png,作為門控管,這兩個門控管的柵與字線連接。觸發器通過門控管與位線耦合。在讀寫過程中,首先要在字線上加尋址脈沖,使某一單元被選中。下面介紹它的讀/寫過程。


              MOS隨機存儲器ram


              ①寫入 當這一單元被選中(即在字線W上加“1”脈沖),使image.png導通。若要將“1”寫入單元,就要在D線上加“1”電平,在image.png線上加“0”電平,使image.png截止,image.png導通,即“1”被寫入單元。若要寫“0”,只要在D線上加“0”電平,在image.png線上加“1”電平,使image.png導通,image.png截止,這時“0”就被寫入單元。

              當單元被寫入“1”或“0”以后,字選擇脈沖過去,使image.png關閉,被寫入基本觸發器的“1”或“0”將長期穩定下來。

              ②讀出 當單元中存的信息要讀出時,首先使這一單元被選中,使image.png導通。若單元中存的是“1”,則image.png導通,image.png截止,位線image.pngimage.png接地。因image.png直接與讀出放大器相接,這樣,地電位被接至讀出放大器,以電壓的形式讀出。MOS隨機存儲器ram當然也可用電流的形式讀,出,因為image.png導通接地,就有一股電流通過讀出放大器到地,這一電流被讀出放大器感覺而鑒別出來,就表示單元中存著“1”信息。如果image.png不導通,就無電流通過,表示單元中存的是“0”。

              (2)CMOS六管靜態存貯單元

              利用兩個OMOS倒相器相互耦合,并加以適當的耦合器件,便組成CMOS結構的靜態存貯單元,如圖4-3所示。其中image.png為兩個耦合門管。


              MOS隨機存儲器ram


              由于N溝道器件的開啟電壓比較低,而且載流子的遷移率大,因此耦合器件image.png多采用N溝道MOS管。

              用CMOS結構組成存貯單元,具有一些獨特的優點

              ①功耗低 每位靜態功耗約為10nW,僅在轉換的動態過程中才消耗有限的一點功耗。

              ②采用單一工作電源 電源電壓的變化范圍較大,在3~16V之間都可以工作。

              ③抗干擾性能強 可達到50%的MOS隨機存儲器ram。

              其缺點是集成度較單溝道MOS存貯單元低。

              2、動態MOS存貯單元

              靜態存貯單元管子數多,單元占用面積較大,不利于大容量存貯器的發展。為了縮小單元面積,提高集成度,發展了動態四管、三管和單管單元。下面就分別介紹這些動態存貯器的結構和工作原理。

              (1)四管動態存貯器

              動態存貯器是靠節點電容上的電荷暫存效應存貯信息的。它的工作是在時鐘脈沖控制下進行的。由于電容存貯電荷的時間不能太長,所以要求定期對所存貯的信息進行刷新。


              ①存貯單元

              圖4-4(a)中image.png四管組成四管動態存貯單元,其中image.png為存貯管,image.png管為門控管,從形式上看是六管單元省掉了兩個負載管。當單元未被選中,image.pngimage.png截止,存貯單元處于維持狀態,信息存在image.png的柵節點電容image.png上。


              MOS隨機存儲器ram


              ②讀寫原理

              存貯單元的讀寫分為寫入“1”、寫入“0”和讀出三個部分。

              a.寫入“1”當字選擇線上為“1”電平,使image.png導通,并分別在數據線D上加“1”電平,在image.png線上加“0”電平,于是image.png就被充電,使image.png導通,而image.png通過導通的image.png對地放電,使image.png截止。這樣“1”就存入單元(即image.png)。

              b.寫入“0”情況與寫“1”相似,當字選擇脈沖來到后,只要在image.png線上加“1”,D線上加“0”。這時image.png被充電,image.png導通;image.png通過image.png對地放電,使image.png截止。于是“0”就被寫入單元。

              0.讀出 在讀操作時,先使數據線D和image.png都為1。當單元被選中后,若原來存貯單元中存的“1”,由于image.png導通,將有電流從image.png線經image.png到地,這個電流可用讀出放大器檢出。MOS隨機存儲器ram。而image.png是截止的,image.png和數據D線回路沒有電流流過,所以D線仍保持“1”電平,而同時經image.pngimage.png充電,使信號得以刷新,恢復原來漏去的電荷。

              若原存信號為“0”則結果與上述相反,最后使D=0,image.png,如圖4-4(b)所示。

              從動態四管單元的分析可以看出,在讀操作過程中,同時也存在刷新過程。


              ③存貯器全圖

              為了讓大家對隨機存取存貯器的工作有個完整的概念,下面介紹1024位動態RAM的完整結構及其工作原理。圖4-5所示的1024位RAM是用硅糖N溝工藝制成,存貯陣列是由四管動態單元組成,它的組成情況如下:


              MOS隨機存儲器ram


              a.存貯矩陣 由32行×32列存貯單元構成,其容量為1024字×1位。存貯矩陣同一行所有單元的字選擇線都連在一起,共32條image.png選擇線,分別接image.png譯碼器的輸出端。同一列所有單元的數據線連在一起,通過列數據線(即位線)上的門管image.png、...等與數據總線相聯,數據線上的門管由image.png選擇線控制,當某一image.png選擇線處于“1”電平時,數據線就和數據總線接通。

              b.預充電管 每列數據線上都有預充電管,如第一列上的image.png管。預充電管的電源電壓是image.png。預充電管的柵極由時鐘脈沖image.png控制。當image.png時,image.png導通,使各數據線都充電到MOS隨機存儲器ram。

              C.地址譯碼緩沖器 地址緩沖器共有十個,image.png方向和image.png方向各五個,如圖4-5(b)所示。

              地址譯碼緩沖器的輸出端分別與譯碼器的輸入端相聯,image.png譯碼器的輸入端為image.pngimage.png,image.png譯碼器的輸入端為image.pngimage.png。緩沖器正常工作需要兩相時鐘脈沖image.pngimage.png控制。當image.png時,image.pngimage.png導通,使輸出image.pngimage.png都為“0”。MOS隨機存儲器ram。由于地址緩沖器的輸出分別接地址譯碼器的輸入端,因此,全部地址輸入均為“0”。當image.png過后,image.png脈沖到來,使image.png導通,于是根據image.png輸入,地址譯碼緩沖器才有相應的image.pngimage.png輸出,地址譯碼器也就有相應的輸入。

              d.讀寫電路 各列數據線通過列線的選通門管與數據總線相聯,數據總線又通過片選控制門管image.png與片外的數據(入/出)線聯通。當image.png導通,就可對選中的單元進行讀寫。如果image.png,數據輸入、輸出線與整個存貯器的數據總線隔斷,不能進行讀寫。

              e.譯碼器和驅動器 譯碼器的每條輸出線都要控制32個存貯單元的64個傳輸管,電容很大,所以需要驅動器。驅動器由MOS管image.png和電容image.png組成,image.png連接在image.png管的柵、漏之間,稱為自舉電容,其結構如圖4-5(c)所示。這是一個雙值電容。當image.png時,因反型層溝道與漏極聯通,所以電容很大;當image.png時,只有柵、漏之間的覆蓋電容,接近于零。驅動管的漏極接地址選通脈沖image.pngimage.png時,被選通的一路image.png雖然導通,但是存貯矩陣的“字”選擇線仍為“0”電平,所以單元仍沒有被選通。只有當image.png時,被選中的一行的“字”選擇線才為高電平。由于自舉電容的存在,當image.png由“0”升為“1”時,驅動管的柵極電位也同時上升,使image.png的導通電阻變得很小,所以驅動能力很大,能使字選擇線很快充電,位線的傳輸管很快導通,所以對提高速度有利。

              整個RAM要用三組電源電壓;image.png,襯底反偏電壓image.png。還有三相時鐘脈沖image.pngimage.png是片選脈沖,它們的高電平為12V,低電平小于0.5V。


              下面我們來介紹它的讀、寫刷新操作;

              a.寫入 寫入開始,時鐘脈沖image.png先到來。在image.png時,片選脈沖image.png都保持

              “0”。在image.png作用下,地址緩沖器的輸出image.png都為“0”,譯碼器的輸入都為低電平,輸出均為高電平。另一方面,32列的數據線都充電到高電平image.png。當image.png脈沖結束后,由于漏電流很小,位線上的電位保持不變。

              image.png由“1”轉為“0”,image.png開始到來。此時根據地址緩沖器的輸入情況,決定各個地址緩沖器的輸出。地址緩沖器的輸出是與地址譯碼器的輸入相聯的,結果使得image.png地址譯碼器和image.png地址譯碼器的輸出線中各有一根被選中。例如地址碼為0000000000,則32個image.png譯碼器中僅第一個輸出為高電平,其它全為低電平。同時32個image.png譯碼器中僅使第一對位線上的門控管導通,其它都截止。

              image.png過后,接著image.png和片選信號image.png到來,使門管image.png導通。要寫入的數據送到輸入/輸出線上。如果要寫“1”,則在輸入/輸出線D上加“1”電平,在image.png線上加“0”電平。由于image.png地導通,數據便通過數據總線與被選中的一系列數據線聯通,寫入被選中的第一行第一列單元。

              b.讀出 讀出操作時,使輸入端image.pngimage.png都是高電平。當image.pngimage.png為“1”時,被選中的單元與數據線聯通后,與單元中通導的管子相聯的數據線就有電流流過。例如image.png導通時,則D線上有電流通過;如image.png導通,則萬線上有電流通過,這個電流通過總線外的讀出放大器放大后,可鑒定該單元是“0”還是“1”。

              c.刷新 大家知道,存貯器在讀出過程中,同時具有“刷新”的功能。當讀出時,同一字線上其它沒有被選中的存貯單元,它們的位線沒有與數據總線接通,所以位線上預充電管(如image.png)要通過導通的門控管對單元進行“刷新”,以補充柵電容上漏去的電荷。存貯器還有專門“刷新”操作,是定時地一行、一行進行的。它的方法和讀出操作一樣,只是不要加片選信號。MOS隨機存儲器ram。刷新過程是逐行進行的。在一個刷新周期內,需要刷新32行。刷新一行所需的時間大致等于讀出周期時間,為了不使存貯的內容丟失,必須定期刷新,例如每隔2ms刷新一次,在刷新時間內不能進行讀寫。


              MOS隨機存儲器ram


              圖4-6(a)、(b)分別是存貯器的寫入和讀出的工作時序圖。其中image.png是預充電時鐘脈沖寬度,它要保證在數據線上建立穩定的5V電平image.png。這取決于圖4-5中image.png四管的導通電阻和數據線的分布電容。image.png為地址碼的脈沖寬度,它要保證沒有被選中的譯碼器輸出端高電平放電到零。這取決于譯碼器輸入管的等效時間常數image.png。image.png是時鐘。和片選信號image.png的脈沖寬度,這是使被選字線上門控管image.png和片選管image.png充分導通后,輸入的數據在數據線上建立穩定電平,并使存貯單元變成寫入所要求的穩定狀態的時間。如果是讀出,則保證讀出數據電流在輸出端穩定出現的時間。前者取決于image.png管的導通電阻,數據線分布電容和存貯單元觸發器的翻轉時間;后者取決于這些管子的導通電阻。


              表示存貯器速度的時間參數有:訪問時間(取數時間)和循環時間。訪問時間是指從地址碼輸入到有效數據輸出的時間。它包括地址譯碼器的延遲以及片選信號加入后在讀出電路上的延遲image.png。循環時間指存貯器完成一定操作的基本時間周期,故也稱循環周期。所謂一定的操作,是指進行讀出-寫入或寫入一讀出時的各種操作。循環周期是指上述各種操作中最長的。圖4-6中的image.png表示完成了寫入后再進行下一操作的周期,而image.png表示完成了讀出后再進行下一操作的周期。循環周期由二者中大的一個決定。


              (2)三管動態存貯器

              ①三管存貯單元 

              三管單元的存貯器是目前應用最廣泛的存貯器。存貯單元有三種不同的形式:

              a.image.png單元 這是一種最基本的三管單元線路,如圖4-7(a)所示,它由MOS隨機存儲器ram三個管子、兩根讀寫選 擇線和兩根讀寫數據線以及一根地線組成。其中image.png是存貯管;image.png為讀出控制管,image.png是寫入控制管。信息就存貯于image.png管的柵極節點電容上,若image.png兩端存貯信號1”,則image.png導通,若image.png兩端存貯信息為“0”,則image.png截止。


              MOS隨機存儲器ram



              b.image.png單元 這由三個MOS管和兩根讀寫選擇線及一根數據線組成,如圖4-7(b)所示。其中image.png的作用與上面image.png單元相同。由于把兩根數據線合并成一根,故可以減小面積提高集成度。但是由于寫入和讀出數據僅用一根線,故需要增加讀寫控制電路。

              c.image.png單元 圖4-7(c)是這個單元的電路。從圖中看到,讀寫選擇線合為一條,其余與MOS隨機存儲器ram單元相同。

              下面我們以image.png存貯單元為例(圖4-8),來說明它的工作原理。

              image.png存貯單元工作原理

              a.讀出過程 讀出前,首先要加預充電脈沖image.png,使么導通,對讀出線預充電,使它保持“1”電平(VDD),接著讀出選擇線將單元選通,使image.png導通。若柵電容image.png上存的信號為1”,image.png處于導通狀態,于是,讀出線通過image.png放電至“0”電平(image.png);若image.png上存貯的信息為“0”,則image.png截止,讀出線到地沒有通路,所以讀出線保持原來的“1”電平。這兩種不同的信息電平,通過讀出放大器檢出。MOS隨機存儲器ram。但必須注意,讀出的信息與單元中存貯的信息是相反的。


              MOS隨機存儲器ram


              b.刷新過程 電路的刷新過程,首先是將單元中存貯的信息讀出來,經過刷新放大器放大后,再重新寫入單元,其過程如下:

              首先加預充電脈沖P,使image.png導通,使寫入線預充圖電至image.png,接著,重復上述的讀出過程。讀出過程結束,讀出線上出現與單元存貯信息相反的電平。其中image.png管由讀出線上的電平控制。若讀出線為“1”電平,則image.png導通,加上刷新控制脈沖image.png,使image.png導通,寫入線就通過image.png。放電至“0”,當寫選擇線被選通后,使image.png導通,寫入線上的“0”信號就重新寫入到節點電容image.png上。若原存信息為“1”,則讀出線為“0”,使image.png截止,加了R脈沖后,寫入數據線從image.png沒有通路,所以寫入線保持“1”電平。當寫選擇線被選通后,image.png導通,“1”信號就重新寫入單元,存于柵電容image.png上。其中的image.png是刷新放大器。從上面分析看到,信息經過讀出和放大,兩次反相,所以刷新寫入的信息正好與原存貯器的信息同相。


              c.寫入過程 首先,要重復上述的讀出刷新過程,等上述過程結束,給一個寫入脈沖W,使讀出線接地電位,使刷新放大器的image.png截止,再把要寫入的信息由寫入線送入單元。

              單元存貯信息的讀出、刷新和寫入,是被預充電脈沖image.png選擇脈沖、刷新控制脈沖R和寫入脈沖W所控制的,顯然,這些控制脈沖必須保持嚴格的時序,以保證單元正確地工作。若控制脈沖的時序發生混亂,讀出和寫入就發生混亂,這是這種三管單元存貯器的一個缺點。

              (3)單管動態存貯器

              單管動態存貯器存貯單元的器件數目是最少的,因此可以獲得較高的集成度。在4K位以上的RAM中,幾乎都采用單管線路。它是大規模和超大規模RAM發展的主要形式。圖4-9為單管動態存貯器的部分電路圖。虛線包圍的部分即為單管存貯單元。MOS隨機存儲器ram。它是由一個MOS管image.png和電容image.png組成。image.png作為門控管控制數據的進出,它的柵接讀寫選擇線(字線),image.png的一端接數據線,另一端接存貯電容image.png的數值應較大,要專門制作。image.png為位線上的雜散電容。存貯單元的讀寫過程如下:


              MOS隨機存儲器ram


              ①寫入 當行、列譯碼器選址后,image.png導通,接著施加寫入控制脈沖image.png導通,加在image.png線上的數據通過image.png管以電荷的形式寫入存貯單元。

              ②讀出 行、列譯碼器尋址后,image.png導通,由于此時image.png截止。存于電容image.png上的電荷就通過MOS晶體管image.png輸出,同時向位線上的雜散電容O2充電。如果位線上的電容image.png足夠小,并滿足image.png的話,讀出數值受到image.png的影響較小,就可被讀出放大器檢出,通過image.png輸出。


              實際上,由于image.png上的電荷要給image.png再分配,會造成讀出時的損失。下面,我們將定量分析一下讀出時信息的損失情況與存貯電容、位線分布電容的關系。

              如果單元存貯信息“1”電平為image.png,位線預充電的中間電平為image.png,那么讀出前,在電容image.png上的電荷撒分別為image.png。讀出后,位線或在存貯電容的節點上將得到平衡后的“1”電平image.png,這時image.png上的電荷量分別為image.png。根據讀出前后在image.png上的電荷相等,所以讀出后的平衡電平為:


              MOS隨機存儲器ram


              若單元存貯的信息為“0”,按同樣的道理,可寫出讀出后的平衡電平為:


              MOS隨機存儲器ram


              從(4-1)(4-2)兩式看到,若image.png。但是位線分布電容image.png與每列的存貯位數成正比關系,存貯位數愈大,image.png就愈大。由于位線還連接著讀出放大器,因此image.png還包括讀出放大器的輸出和輸入電容,所以實際image.png不可能比image.png小。但是,為了盡可能縮小單元面積,提高集成度,image.png不可能做得很大。因此讀出電壓將比存貯電容兩端的電壓下降很多,致使讀出信號非常微弱,而且存貯電容image.png上的電荷每讀出一次,就要減少一些,造成存貯信號的破壞。MOS隨機存儲器ram。為了能保證存貯器正常工作,以便讀出微弱信號,必須有一個高靈敏度的讀出放大器,在每一列中有一個再生放大器,以補償讀出時破壞的數據。所以設計高靈敏度的再生放大器,是單管單元存貯器的關鍵。


              與其它動態存貯器一樣,單管單元存貯器也要進行刷新操作。其過程是這樣的:當行、列譯碼器選址后,施加刷新控制脈沖image.png,使image.png導通,存于image.png上的信息經高靈敏度讀出放大器放大,再經image.png重新寫入存貯單元。圖4-10為采用硅柵工藝制作的單管存貯單元結構示意圖。從圖中看到,傳輸管的源擴散區與位線共用,存貯電容image.png由接image.png的硅棚造成的反型PN結和硅柵電容組成。這樣既節省了面積,增大了image.png,又減小了位線節點電容。


              MOS隨機存儲器ram


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