Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

Рис. 14.13

Электроны, попадая на плавающий затвор, оказываются как бы в ловушке и после снятия напряжения со стока и управляющего затвора (у МОП-транзисторов с двойными затворами) могут сохраняться в нем в течение длительного времени (в высококачественных приборах многие годы).

На рис. 14.14 показаны кривые, характеризующие состояния n-МОП-транзистора: исходное (1) и после записи информации (2). Наличие электронов на плавающем затворе n-МОП-транзистора значительно увеличивает его пороговое напряжение по сравнению с n-МОП-транзистором, у которого нет или очень мало таких электронов.

Рис. 14.14

Для того чтобы исключить накопление заряда на плавающем затворе и обеспечить малое значение порогового напряжения n-МОП-транзистора, при его программировании на сток прибора с одним плавающим затвором не подается напряжение обратного смещения перехода сток—подложка (программирующее напряжение). Для этой цели у прибора с двойным затвором высокое напряжение подается только на управляющий затвор. Стирание информации (заряды на плавающем затворе) у МОП-транзистора с одним плавающим затвором может производиться только ультрафиолетовым облучением, а у МОП-транзистора с двойным затвором — и ультрафиолетовым облучением, и электрическими сигналами. Для стирания информации ультрафиолетовым облучением кристалла корпус микросхемы имеет специальное прозрачное окошко. Лучи вызывают в области плавающего затвора транзистора фототоки и тепловые токи, что делает эти области проводящими и приводит к стеканию заряда с плавающего затвора в подложку. Стирание информации происходит сразу на всем кристалле, но для выполнения этой операции требуется достаточно большое время (десятки минут). В РПЗУ-УФ число операций стирания при перепрограммировании ограничено (10... 100 для отечественных микросхем), так как под действием ультрафиолетовых лучей свойства материалов в кристалле постепенно изменяются. РПЗУ-УФ с запоминающим элементом в виде прибора с двойным затвором используются гораздо чаще, так как в запоминающем элементе на МОП-транзисторе с одним плавающим затвором необходимы дополнительный МОП-транзистор для считывания информации (рис. 14.15) и большее значение программирующего напряжения.

Рис. 14.15

Использование в РПЗУ приборов с двойными затворами позволяет осуществлять выборочное электрическое стирание информации не на всем кристалле, а только в подлежащих перепрограммированию запоминающих элементах. Электрическое стирание информации осуществляется подачей высокого напряжения программирования только на управляющий затвор. При электрическом способе процесс стирания происходит гораздо быстрее, а число циклов перепрограммирования увеличивается до 10⁴...10⁶. Кроме того, для перепрограммирования не требуется извлекать микросхему из устройства, в котором она работает. Поэтому БИС РПЗУ-ЭС постепенно вытесняют БИС РПЗУ-УФ, хотя количество запоминащих элементов в последних пока еще несколько больше из-за более простой структуры управления.

МНОП-транзистор (рис. 14.16) отличается от обычного МОП-транзистора наличием под затвором двух слоев диэлектрика: слоя оксида кремния (SiO₂) толщиной примерно 0,005 мкм, нанесенного на поверхность кристалла, и поверх него слоя нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной 0,1 мкм. На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда, куда благодаря туннельному эффекту через тонкий слой SiO₂ при достаточной для его возникновения напряженности электрического поля между затвором и подложкой могут проходить носители заряда и скапливаться на границе этих слоёв. Меняя направленность электрического поля, можно создать заряд любого знака на границе диэлектрических слоев.

Рис. 14.16

В МНОП-транзисторе с p-каналом положительный заряд увеличивает его пороговое напряжение настолько, что рабочее напряжение на затворе прибора не в состоянии его открыть. Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хранение 1 бита информации в МНОП-транзисторе: одно из состояний трактуется как отображение лог. 1, другое — как лог. 0.

В режиме стирания (см. рис. 14.16, а) — записи большого значения порогового напряжения — затвор заземляется, а на подложку подается положительный импульс амплитудой 20...30 В. Стирание может осуществляться также подачей отрицательного импульса напряжения амплитудой 20... 30 В на управляющий затвор. В режиме программирования — записи малого значения порогового напряжения — на затвор р-МНОП-транзистора подается положительное напряжение (см. рис. 14.16, б) при заземленных выводах подложки стока и истока. В режиме считывания на затвор прибора подается напряжение, находящееся между этими двумя значениями пороговых напряжений.

Микросхемы ПЗУ

Фирмами-производителями цифровых микросхем выпускается немало самых разнообразных ПЗУ и ППЗУ. Различаются микросхемы постоянной памяти своим объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), организацией (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или 3С), быстродействием (обычно задержка составляет от единиц до сотен наносекунд). Но суть всех микросхем ПЗУ остается одной и той же: имеется шина адреса, на которую надо подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных, на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.

Рис. 14.17

На рис. 14.17 представлены для примера несколько простейших и типичных микросхем постоянной памяти. Микросхема К155РЕ3 (аналог — N8223N) представляет собой однократно программируемое ППЗУ с организацией 32 х 8. Исходное состояние (до программирования) — все биты всех ячеек нулевые. Для программирования (записи информации) используется специальный программатор, подающий на разряды данных импульсы высокого напряжения. Тип выходных каскадов — открытый коллектор, то есть обязательно надо включать на выходах резисторы, подсоединенные к шине питания. Имеется один управляющий вход –CS, при положительном уровне сигнала на котором на всех выходах устанавливаются единицы. Микросхема КР556РТ4 (аналог — I3601) — это также однократно программируемая постоянная память с организацией 256х4. Исходное состояние (до программирования): все биты всех ячеек нулевые. Тип выходных каскадов — ОК. Два управляющих входа -CS1 и –CS2 объединены по принципу И, то есть для разрешения работы микросхемы (для перевода выходов в активное состояние) оба эти сигнала должны быть нулевыми. Для записи информации в микросхему используется программатор. Одним из наиболее распространенных способов введения информации в ППЗУ является принцип плавкого предохранителя, когда для образования необходимой комбинации лог.0 или лог.1 производится выжигание дозированным током, например нихромовых соединений между матричными элементами микросхемы. ППЗУ на биполярных транзисторах программируется следующим образом: все эмиттеры транзисторов соединены с разрядными шинами плавкими перемычками; в местах, где должен быть записан лог. 0, через эмиттеры пропускают импульс тока, достаточный для разрушения плавкой перемычки. В процессе выжигания перемычек на адресные входы последовательно подаются адреса, а на разрядные выходы подаются импульсы пережигания в соответствии с заданной таблицей истинности.

Рассмотрим БИС ПЗУ КР556РТ4 информационной емкостью 1024 бита (256 4), которая представлена на рис. 14.18, а. Условное графическое обозначение этой схемы показано на рис. 14.18, б.

Рис. 14.18

На рис. 14.19 дана ее упрощенная организация. Такие ПЗУ могут применяться в микропроцессорных системах с обработкой данных в размере байта.

Рис. 14.19

Транзисторы матрицы включены по схеме эмиттерного повторителя; 32 шины металлизации проходят поперек 32 МЭТ над эмиттерами. Вскрытие окна к эмиттеру МЭТ (подключение к шине металлизации) соответствует записи лог. 1, отсутствие окна (неподключение к шине металлизации) — записи лог. 0.

Матрица содержит 32 МЭТ с 32 эмиттерами каждый. Эмиттеры и включенные в их цепь перемычки разделены на четыре группы, каждая из которых содержит восемь одноразрядных слов. Таким образом, в первой группе находятся восемь слов первого разряда, во второй -второго разряда, в третьей — третьего разряда, в четвертой

— четвертого разряда. Для обращения к такому объему памяти и выбору одного из 32 МЭТ необходим дешифратор строк на пять входов и 32 выхода. При адресной выборке будет производиться обращение к одному из 32 МЭТ, т. е. к восьми четырехразрядным словам. Чтобы на выход поступило только одно четырехразрядное слово, необходимо осуществить выбор по одному ЗЭ из каждой разрядной группы. Для этой цели используются селекторы CL0...CL3, каждый из которых представляет собой восемь ключей. Замыкание одного из ключей в каждой группе происходит под воздействием управляющего сигнала с выхода дополнительного дешифратора, на вход которого поступают три младших разряда адреса, после чего считанная информация проходит на усилители считывания.

Усилители считывания предназначены для преобразования уровней сигналов, считываемых с матрицы ЗЭ, в уровни, требуемые для работы схемы на внешнюю нагрузку. Схема разрешения выборки запрещает обращение к разрядной группе, если хотя бы на один из ее входов (CS1)` или (CS2)` подано напряжение высокого уровня, соответствующее лог.1. С помощью этой схемы происходит стробирование усилителей считывания. Если выборка запрещена, то на выходах усилителей считывания образуется напряжение высокого уровня. При программировании микросхемы код адреса подается на разные входы А0...А7, а данные — на выходы DO0...DO3. Запись лог. 1 в соответствующие разряды осуществляется через элементы программирования (E0...E3) путем пережигания перемычек.

Микросхема КР556РТ18 (аналог — HM76161) также является однократно программируемым ППЗУ и имеет организацию 2Кх8. Тип выходов микросхемы — 3С. Имеются три управляющих входа: один инверсный –CS1, два других — прямые CS2 и CS3, объединенных по функции И. Выходы данных переходят в активное состояние при нулевом уровне на –CS1 и при единичных уровнях на CS2 и CS3. Если входы управления используются для подачи управляющих сигналов (то есть выходы могут переходить в третье состояние), то на выходы надо включать нагрузочные резисторы, подключенные к шине питания. Исходное состояние микросхемы (до программирования) — все биты всех ячеек в единице. Наконец, микросхема К573РФ8 (аналог — I27256) — это пример памяти РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации. Чтобы перепрограммировать память, необходимо ее стереть, для чего в течение некоторого времени (обычно несколько минут) надо облучать микросхему через окошко в корпусе ультрафиолетовым светом (можно использовать медицинский кварцевый облучатель). Стертая микросхема имеет все биты, установленные в единицу. Затем проводится процедура записи с помощью программатора, несколько отличающегося от программаторов однократно программируемых микросхем. Управляющие входы –CS и –CE должны быть установлены в нуль для перевода выходов микросхемы в активное состояние. Имеется специальный вход UPR для подачи программирующего высокого напряжения, который при чтении информации из микросхемы надо подключать к напряжению питания. Тип выходных каскадов — 3С. Микросхемы этого типа самые медленные, их задержки самые большие.

Основные временные характеристики микросхем ПЗУ — это две величины задержки. Задержка выборки адреса памяти — время от установки входного кода адреса до установки выходного кода данных. Задержка выборки микросхемы — время от установки активного разрешающего управляющего сигнала CS до установки выходного кода данных памяти. Задержка выборки микросхемы обычно в несколько раз меньше задержки выборки адреса.

9.1.1.1. Аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи

15.1. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)

АЦП предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые. В принципе, вполне реально осуществить преобразование различных физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако, процесс этот весьма сложен и кое-где непригоден. Поэтому наиболее рациональным является сначала преобразование физических величин в функционально связанные с ними электрические сигналы, а затем с помощью преобразователя напряжение-код электрические сигналы преобразовывают в цифровые. Именно эти преобразователи и понимаются, как АЦП.

Сама суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Если говорить простым языком, то пусть, к примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование. Дискретизация - это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов. По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. На рисунке 15.1 изображен принцип дискретизации.

Рис. 15.1. Принцип дискретизации

На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки Δt и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как a_i, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как f_i(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Период дискретизации выбирается из условия:

Δt = 1/2F_в,

где F_в - максимальная частота спектра сигнала. Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой F_в, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2F_в. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека ( частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.

Рис. 15.2. Квантование

На рисунке 15.2 изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является δ - шаг квантования. Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению заносим отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 3 (уровни квантования - по вертикальной оси). Второй - к 5-му уровню и т. п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.