Статическое ЗУ на биполярных транзисторах

Статическое ЗУ на биполярных транзисторах представляет собой матрицу запоминающих элементов (ЗЭ), каждый из которых может быть установлен в одно из устойчивых состояний. Таким элементом обычно является триггер или вентиль. На одном кристалле биполярных ИС можно изготовить ОЗУ на 1024 бита, с временем выборки менее 100 нс, снабжённые схемами управления. Одной из основных частей ЗУ является матрица-накопитель, в которой, естественно, и происходит накопление информации. Построение (организация) матрицы определяется способом выборки (опроса) ЗЭ при записи или считывании.

Рисунок 6.5 – Структура ЗУ с пословной выборкой

В структурной схеме матрицы с пословной выборкой и одной ступенью дешифрации (рисунок 6.5) одна строка образует слова из m разрядов. На схеме символами A₁, A₂, … A_n обозначены адресные, а Р₁, Р₂, … Р_m –разрядные шины. Как видно из схемы, адресные шины электрически связаны с каждым ЗЭ данного слова, в то время как разрядная шина имеет связь с ЗЭ одного разряда всех слов. При наличии в адресной шине A_i сигнала, соответствующего уровню 1, состояние каждого из ЗЭ в слове по адреcу A_i может быть считано по разрядным шинам Р₁, Р₂, … Р_m. Если необходимо записать информацию по выбранному адресу A_i,то разрядным шинам Р₁, Р₂, … Р_m, подаётся, в зависимости от кода информации сигнал 1 или 0 на каждый из ЗЭ A_i1, A_i2, … A_im. Наструктурной схеме для простоты не показаны схема управления матрицей (дешифратор с адресными формирователями, усилители считывания и записи), которые для сокращения числа выводов корпуса включаются в состав ИС и изготавливаются на одном кристалле вместе со схемой матрицей.

В структурной схеме двухкоординатной матрицы с двумя ступенями дешифрации (рисунок 6.6) ЗЭ выбирается с помощью адресных шин X₁,X₂,… X_n и Y₁,Y₂,… Y_m при наличии сигнала, соответствующегоуровню 1, на адресных шинах X_i, Y_i будет выбран только один ЗЭ (ЗЭ1), с которого по общей для всех элементов разрядной шине Р можно считать его состояние. При записи 1 в выбранный элемент по разрядной шине необходимо подать сигнал, соответствующий уровню 1. Это организация матрицы на mn одноразрядных слов.

Рисунок 6.6 – Структурная организация ЗУ с двухкоординатной выборкой

Простейшим ЗЭ запоминающего устройства с пословной выборкой является RS-триггер, который может быть построен из двух инверторов (рис. 6.7 а). Эмиттеры 1 МЭТ VT1 и VT2 соединены с адресной шиной А₁, потенциал на которой в установившемся состоянии является самым низким потенциалом схемы. Разрядные шины P_i и P_j соединены с эмиттерами 2 триггеров VT1 и VT2 соответственно.

На разрядную шину P_iподаётся опорное напряжение, общее для всех ЗЭ матрицы. Соотношение между опорным напряжением U_оп, напряжением U_р, подаваемым в разрядную шину P_j и напряжением U_a, подаваемым в адресную шину, определяет режим работы ЗЭ: хранение информации, запись или считывание.

Рассмотрим работу ЗЭ в каждом из трёх режимов.

Режим хранения информации характеризуется соотношением:

U_a< (U_оп = U_p)

Схема находится в одном из устойчивых состояний, при котором открыт триггер VT1 или VT2 в зависимости от того, какая информация была предварительно записана: 1 или 0. Ток протекает по эмиттеру 1 одного из триггеров, в то время, как эмиттеры 2 отключены.

Рассмотрим режим считывания. Пусть в RS-триггере была записана единица. Считаем, что при этом транзистор VT2 открыт, а VT1- закрыт. За 1 принимаем наличие тока в цепи открытого триггера. Чтобы транслировать эту информацию в разрядную шину, необходимо переключить цепи эмиттеров: закрыть схему по эмиттерам1 и открыть по эмиттерам2, оставив состояние триггера без изменения (после смены эмиттеров попрежнему VT2 открыт, VT1- закрыт). Для этого необходимо изменить напряжение на адресной шине таким образом, чтобы U_a> (U_p = U_оп). В этом случае ток через эмиттер 2 открытого триггера VT2 потечёт в разрядную шину P _j. Наличие тока в разрядной шине соответствует считываемой 1, отсутствие тока в разрядной шине (при закрытомVT2 и открытомVT1)определяет считывание 0.

Режим записи зависит от состояния, в которое необходимо установить ЗЭ. Если триггер находится в состоянии 1 (триггер VT2 открыт, VT1 – закрыт), то для записи 0 необходимо по разрядной шине P_j подать потенциал U_p, превышающий опорный U_оп. При этом триггер перейдёт в новое состояниетранзисторVT2 закроется, а VT1 - откроется. Таким образом, условие записи 0 имеет вид: U_a> (U_p = U_оп) и U_p>U_оп, а условие записи 1: U_a> (U_p = U_оп) и U_p<U_оп.

Временная диаграмма работы ЗЭ показана на схеме 6.7б. Таким образом, у подобных ЗЭ на биполярных транзисторах главные параметры – ток считывания I_сч и напряжение записи U_зп.

Время выборки данных по ЗУ небольшой емкости на биполярных схемах ТТЛ может составить 30-40нс. Важный параметр ЗУ – потребляемая мощность. Она может составлять 0,5 – 1,5 мВт/бит.

Рисунок 6.7 – Запоминающий элемент ЗУ с пословной выборкой,

где: а – RS- триггер в качестве запоминающего элемента,

б – временная диаграмма работы ЗЭ.

На рисунке 6.8 представлена схема запоминающего элемента на биполярных транзисторах для запоминающих устройств с двухкоординатной выборкой. Временная диаграмма его работы не отличается от диаграммы работы ЗЭ, представленной на рисунке 6.7, за исключением того, что для выборки ЗЭ необходимо подать высокие уровни напряжения на адресные входы Xi и Yi.

Рисунок 6.8 – ЗЭ для ЗУ с двухкоординатной выборкой