Цифроаналоговые преобразователи

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ

Глава шестая

А — МДП-прибор с плавающим затвором; б — условное обозначе­ние; в — матрица-накопитель РПЗУ

Рис. 5.18. ППЗУ на многоэмиттерных транзис­торах

Рис. 5.17. ПЗУ на биполярных транзис­торах

Таблица 5.6

Микросхема	Тип ПЗУ	Техноло­гия	Емкость, бит	Врема вы­борки, НС	Потребляемая мощность. мкВт/бит
К155РЕ21	ПЗУ	ТТЛ	256X4
К505РЕЗ	ПЗУ	p-МДП	512X8
К188РЕ1	ПЗУ	кмдп	1024X1
К500РТ149	ППЗУ	эсл	256X4
К556РТ4	ППЗУ	ттлш	256X4
К519РР2	РПЗУ	МНОП	64X4
К558РР1 1	РПЗУ	МНОП	1024X1
К558РР1	РПЗУ	МНОП	2048Х 1
К573РФ1	РПЗУ	p-МДП1)	1024X8

1)С плавающим затвором.

Масочные ПЗУ изготавливают в основном на биполярных или полевых транзисторах. Запись информации в ПЗУ осуществляется на одной из завершающих технологических операций изготовления микросхемы путем формирования схемы подключений транзисторов к шине строки (рис. 5.17).

Организация ПЗУ может быть как одноразрядной, так и мно­горазрядной. В частности, на рис. 5.17 показана структура ПЗУ с организацией тХп бит. Информация записывается однократно. При кодировании может быть принято следующее условие: 0 соот­ветствует наличие соединения базы транзистора с шиной строки, I — отсутствие такого соединения.

При выборке строки открываются транзисторы, соединенные с адресной шиной, и на соответствующих им разрядных шинах фиксируется 0. На остальных шинах будет уровень 1. Обычно пре­дусматривается вход ВМ для сигнала разрешения считывания.

Аналогично строятся масочные ПЗУ на МДП-транзисторах.

Программируемые ПЗУ в отличие от масочных ПЗУ позволяют записать, но тоже однократно, нужную информацию самому поль­зователю. Для этого с помощью специальной установки пережигают плавкие перемычки в точках соединения столбцов и строк. Один из вариантов ППЗУ на основе многоэмиттерных транзисторов показан на рис. 5.18. Один транзистор составляет строку. При выборке по адресной шине на базу транзистора поступает сигнал. Транзистор открывается, и на разрядных шинах формируются уровни напряже­ния, соответствующие схеме соединения с этими шинами эмиттеров данного транзистора: если эмиттер соединен с шиной, то в эту шину поступит ток от источника коллекторного напряжения, если пере­мычка разрушена, то тока в шине не будет. Выходными усилителя­ми это различие в состояниях разрядных шин преобразуется в код числа.

Репрограммируемые ПЗУ обычно строят на основе структур МНОП, т. е. металл-нитрид кремния-окисел кремния-полупроводник, или МДП с плавающим затвором. Структура МНОП представляет собой (рис. 5.19,с) МДП-транзистор с двухслойным диэлектриком под затвором. Нижний, примыкающий к полупроводнику слой дву­окиси кремния толщиной 3 — 4 им, «прозрачен» для электронов. Если к затвору относительно подложки приложить импульс напряжения положительной полярности, то под действием сильного электриче-сксгс поля между затвором и подложкой электроны приобретают достаточную энергию, чтобы пройти тонкий диэлектрический слой до границы раздела двух диэлектриков. Верхний слой нитрида кремния имеет значительную толщину, так что электроны преодо­леть его не могут.

Рис. 5.19. МНОП-транзистор (a) и его передаточная харак­теристика для двух состояний (б)

Накопленный на границе раздела двух диэлектрических слоев заряд электронов снижает пороговое напряжение и смещает пере­даточную характеристику транзистора влево (рис. 5.19,6). Так за­писывается 1. Логическому 0 соответствует состояние транзистора без заряда электронов в диэлектрике. Чтобы обеспечить это состоя­ние, на затвор подается импульс напряжения отрицательной поляр­ности. При этом электроны вытесняются в подложку. При отсутст­вии заряда электронов под затвором передаточная характеристика смещается в область высоких пороговых напряжений.

Для считывания записанной информации на затвор необходимо подать напряжение, значение которого лежит между двумя поро­говыми уровнями, соответствующими 0 и 1. Тогда при записанном 1 транзистор откроется, а при 0 — останется в закрытом состоянии.

Число циклов перепрограммирования составляет несколько ты­сяч. Перепрограммирование осуществляется значительными по ампли­туде импульсами напряжения (30 — 40 В), что обусловливает высо­кие требования к электрической прочности диэлектрических слоев и электронно-дырочных переходов.

Другое направление создания РПЗУ основано на использовании свойств МДП-структур с плавающим затвором (рис. 5.20,а, б). Особенность устройства такого элемента памяти заключается в том, что затвор формируется внутри диэлектрика и не имеет наружных выводов. Затвор отделен от подложки тонким, прозрачным для электронов слоем диэлектрика.

Для записи 1 между истоком или стоком и подложкой прикла­дывается обратное напряжение, достаточное для создания условий лавинного размножения электронов в электронно-дырочном перехо­де. Эти электроны, имея большую кинетическую энергию, попадают на затвор, накапливаются на нем и создают потенциал, достаточный для наведения канала. Если на затворе заряд отсутствует, канал не формируется. Это состояние транзистора соответствует 0.

Рис. 5.20. РПЗУ на МДП-приборе с плавающим затвором:

В состав матрицы-накопителя МДП-транзистор с плавающим затвором включают в паре с обычным МДП-транзистором (рис. 5.20,в). Очевидно, что при проводящем состоянии транзисто­ра Т₂, когда записана 1, через тракзисторы ti и Т₂ в выходную щину потечет ток считывания. Если же записан 0, транзистор Т₂ закрыт и тока в выходной шине не будет.

Стирание информации в РПЗУ такого типа производится уль­трафиолетовым облучением кристалла микросхемы через окно в крышке корпуса. Количество циклов перепрограммирования око­ло 100.

Репрограммируемые ПЗУ способны сохранять заряд при отклю-ценном питании в течение 2 — 3 тыс. ч.

Под цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) по­нимают устройства, позволяющие осуществить переход от инфор­мации в цифровой форме к информации в аналоговой форме. Эти преобразователи широко используют в системах цифровой обработ­ки данных, в устройствах управления, для вывода информации из ЭВМ и передачи ее на исполнительные устройства и т. п.

В ЦАП входным сигналом является цифровой код в различных системах счисления, а выходным — соответствующее ему значение аналоговой величины в виде напряжения постоянного тока, времен­ного интервала и т. п. В ЦАП, построенных на микросхемах, в ка­честве входного сигнала чаще всего используют двоичный позицион­ный код или построенный на его основе десятичный код. Выходным сигналом является напряжение постоянного тока. Подобные ЦАП и будут рассмотрены далее.

Цифроаналоговое преобразование состоит в суммировании эта­лонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те этало­ны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 6.1. Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:

где Uon — опорное (эталонное) значение напряжения; й_ь Ь₂,..., Ь_п — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значе­ния 0 или 1.

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоич­ных разрядов входного кода и характеризующаяся возможным ко­личеством уровней аналогового сигнала.