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MOS存貯器-隨機(jī)存取貯器(RAM)結(jié)構(gòu)和讀寫過程的特征

信息來源: 時(shí)間:2020-11-16

MOS存貯器-隨機(jī)存取貯器(RAM)結(jié)構(gòu)和讀寫過程的特征

在MOS集成電路中,可以根據(jù)電路的復(fù)雜程度和每個(gè)芯片所含的元件多少,分為小規(guī)模集成電路image.png、中規(guī)模集成電路image.png、大規(guī)模集成電路image.png和超大規(guī)模集成電路image.png。一般認(rèn)為,每芯片含有100個(gè)元件以下,為小規(guī)模集成電路;100~1000個(gè)元件為中規(guī)模集成電路;1000個(gè)元件以上的為大規(guī)模集成電路;10萬個(gè)元件以上為超大規(guī)模集成電路。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram。

在MOS大規(guī)模集成電路領(lǐng)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(jī)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(jié)構(gòu)形式相似的電荷耦合器件(CCD),由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),目前發(fā)展速度極為迅速,已成為大規(guī)模集成電路的新秀。

本章主要介紹MOS存貯器中的隨機(jī)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(jié)構(gòu)。

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(tǒng),它是各種類型電子計(jì)算機(jī)的主要組成部分之一,也廣泛地被其它電子技術(shù)所采用。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram它好象人的大腦皮層一樣,,能把計(jì)算機(jī)工作所需的指令及運(yùn)算的數(shù)據(jù)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(yōu)劣,直接影響著電子計(jì)算機(jī)的水平。

一、隨機(jī)存取存貯器(RAM)

隨機(jī)存取存貯器(RAM),由許多存貯單元組成,它的每一個(gè)存貯單元,都可按一定要求的順序,存入或取出所需的二進(jìn)制信息。MOS隨機(jī)存取存貯器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。動(dòng)態(tài)RAM 具有功耗低、集成度高、速度快的優(yōu)點(diǎn);靜態(tài)RAM性能穩(wěn)定,使用方便。

一個(gè)完整的MOS存貯器系統(tǒng),應(yīng)包括存貯陣列、地址寄存器、地址譯碼器、讀/寫驅(qū)動(dòng)器、再生放大器、讀/寫控制、數(shù)據(jù)寄存器,時(shí)序脈沖發(fā)生器等部件,如圖4-1所示。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram


下面我們將著重介紹存貯器中存貯單元的結(jié)構(gòu)及其存貯原理,并結(jié)合工作原理簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)典型存貯器的完整結(jié)構(gòu),以便對(duì)隨機(jī)存取存貯器有個(gè)完整的了解。

1、靜態(tài)MOS存貯單元

(1)單溝道六管靜態(tài)存貯單元

圖4-2為六管靜態(tài)存貯單元,它是靜態(tài)MOS RAM陣列中的一個(gè)最小重復(fù)單元,可以存貯“1”或“0”兩種信1os息。靜態(tài)MOS存貯單元本質(zhì)上是個(gè)觸發(fā)器,它是由兩個(gè)相互反饋的倒相器構(gòu)成。,MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram為了能夠讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù),在基本觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端分別連接了兩個(gè)受讀/寫位線D寫控制的耦合器件image.png,作為門控管,這兩個(gè)門控管的柵與字線連接。觸發(fā)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(jī)存儲(chǔ)器ram


①寫入 當(dāng)這一單元被選中(即在字線W上加“1”脈沖),使image.png導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通,image.png截止,這時(shí)“0”就被寫入單元。

當(dāng)單元被寫入“1”或“0”以后,字選擇脈沖過去,使image.png關(guān)閉,被寫入基本觸發(fā)器的“1”或“0”將長(zhǎng)期穩(wěn)定下來。

②讀出 當(dāng)單元中存的信息要讀出時(shí),首先使這一單元被選中,使image.png導(dǎo)通。若單元中存的是“1”,則image.png導(dǎo)通,image.png截止,位線image.png經(jīng)image.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(jī)存儲(chǔ)器ram當(dāng)然也可用電流的形式讀,出,因?yàn)?/span>image.png導(dǎo)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(dǎo)通,就無電流通過,表示單元中存的是“0”。

(2)CMOS六管靜態(tài)存貯單元

利用兩個(gè)OMOS倒相器相互耦合,并加以適當(dāng)?shù)鸟詈掀骷憬M成CMOS結(jié)構(gòu)的靜態(tài)存貯單元,如圖4-3所示。其中image.png為兩個(gè)耦合門管。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)組成存貯單元,具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)

①功耗低 每位靜態(tài)功耗約為10nW,僅在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過程中才消耗有限的一點(diǎn)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(qiáng) 可達(dá)到50%的MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram

其缺點(diǎn)是集成度較單溝道MOS存貯單元低。

2、動(dòng)態(tài)MOS存貯單元

靜態(tài)存貯單元管子數(shù)多,單元占用面積較大,不利于大容量存貯器的發(fā)展。為了縮小單元面積,提高集成度,發(fā)展了動(dòng)態(tài)四管、三管和單管單元。下面就分別介紹這些動(dòng)態(tài)存貯器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

(1)四管動(dòng)態(tài)存貯器

動(dòng)態(tài)存貯器是靠節(jié)點(diǎn)電容上的電荷暫存效應(yīng)存貯信息的。它的工作是在時(shí)鐘脈沖控制下進(jìn)行的。由于電容存貯電荷的時(shí)間不能太長(zhǎng),所以要求定期對(duì)所存貯的信息進(jìn)行刷新。


①存貯單元

圖4-4(a)中image.png四管組成四管動(dòng)態(tài)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(gè)負(fù)載管。當(dāng)單元未被選中,image.pngimage.png截止,存貯單元處于維持狀態(tài),信息存在image.png的柵節(jié)點(diǎn)電容image.png上。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)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(gè)部分。

a.寫入“1”當(dāng)字選擇線上為“1”電平,使image.png導(dǎo)通,并分別在數(shù)據(jù)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(dǎo)通,而image.png通過導(dǎo)通的image.png對(duì)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(dāng)字選擇脈沖來到后,只要在image.png線上加“1”,D線上加“0”。這時(shí)image.png被充電,image.png導(dǎo)通;image.png通過image.png對(duì)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(shí),先使數(shù)據(jù)線D和image.png都為1。當(dāng)單元被選中后,若原來存貯單元中存的“1”,由于image.png導(dǎo)通,將有電流從image.png線經(jīng)image.png到地,這個(gè)電流可用讀出放大器檢出。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram。而image.png是截止的,image.png和數(shù)據(jù)D線回路沒有電流流過,所以D線仍保持“1”電平,而同時(shí)經(jīng)image.png對(duì)image.png充電,使信號(hào)得以刷新,恢復(fù)原來漏去的電荷。

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

從動(dòng)態(tài)四管單元的分析可以看出,在讀操作過程中,同時(shí)也存在刷新過程。


③存貯器全圖

為了讓大家對(duì)隨機(jī)存取存貯器的工作有個(gè)完整的概念,下面介紹1024位動(dòng)態(tài)RAM的完整結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)單元組成,它的組成情況如下:


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram


a.存貯矩陣 由32行×32列存貯單元構(gòu)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(shù)據(jù)線連在一起,通過列數(shù)據(jù)線(即位線)上的門管image.png、...等與數(shù)據(jù)總線相聯(lián),數(shù)據(jù)線上的門管由image.png選擇線控制,當(dāng)某一image.png選擇線處于“1”電平時(shí),數(shù)據(jù)線就和數(shù)據(jù)總線接通。

b.預(yù)充電管 每列數(shù)據(jù)線上都有預(yù)充電管,如第一列上的image.png管。預(yù)充電管的電源電壓是image.png。預(yù)充電管的柵極由時(shí)鐘脈沖image.png控制。當(dāng)image.png時(shí),image.png導(dǎo)通,使各數(shù)據(jù)線都充電到MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram

C.地址譯碼緩沖器 地址緩沖器共有十個(gè),image.png方向和image.png方向各五個(gè),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(lián),image.png譯碼器的輸入端為image.pngimage.pngimage.png譯碼器的輸入端為image.pngimage.png。緩沖器正常工作需要兩相時(shí)鐘脈沖image.pngimage.png控制。當(dāng)image.png時(shí),image.pngimage.png導(dǎo)通,使輸出image.pngimage.png都為“0”。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)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(dāng)image.png過后,image.png脈沖到來,使image.png導(dǎo)通,于是根據(jù)image.png輸入,地址譯碼緩沖器才有相應(yīng)的image.pngimage.png輸出,地址譯碼器也就有相應(yīng)的輸入。

d.讀寫電路 各列數(shù)據(jù)線通過列線的選通門管與數(shù)據(jù)總線相聯(lián),數(shù)據(jù)總線又通過片選控制門管image.png與片外的數(shù)據(jù)(入/出)線聯(lián)通。當(dāng)image.png導(dǎo)通,就可對(duì)選中的單元進(jìn)行讀寫。如果image.png,數(shù)據(jù)輸入、輸出線與整個(gè)存貯器的數(shù)據(jù)總線隔斷,不能進(jìn)行讀寫。

e.譯碼器和驅(qū)動(dòng)器 譯碼器的每條輸出線都要控制32個(gè)存貯單元的64個(gè)傳輸管,電容很大,所以需要驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)如圖4-5(c)所示。這是一個(gè)雙值電容。當(dāng)image.png時(shí),因反型層溝道與漏極聯(lián)通,所以電容很大;當(dāng)image.png時(shí),只有柵、漏之間的覆蓋電容,接近于零。驅(qū)動(dòng)管的漏極接地址選通脈沖image.png當(dāng)image.png時(shí),被選通的一路image.png雖然導(dǎo)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(dāng)image.png時(shí),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(dāng)image.png由“0”升為“1”時(shí),驅(qū)動(dòng)管的柵極電位也同時(shí)上升,使image.png的導(dǎo)通電阻變得很小,所以驅(qū)動(dòng)能力很大,能使字選擇線很快充電,位線的傳輸管很快導(dǎo)通,所以對(duì)提高速度有利。

整個(gè)RAM要用三組電源電壓;image.png,襯底反偏電壓image.png。還有三相時(shí)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(shí)鐘脈沖image.png先到來。在image.png時(shí),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(shù)據(jù)線都充電到高電平image.png。當(dāng)image.png脈沖結(jié)束后,由于漏電流很小,位線上的電位保持不變。

當(dāng)image.png由“1”轉(zhuǎn)為“0”,image.png開始到來。此時(shí)根據(jù)地址緩沖器的輸入情況,決定各個(gè)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(lián)的,結(jié)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(gè)image.png譯碼器中僅第一個(gè)輸出為高電平,其它全為低電平。同時(shí)32個(gè)image.png譯碼器中僅使第一對(duì)位線上的門控管導(dǎo)通,其它都截止。

當(dāng)image.png過后,接著image.png和片選信號(hào)image.png到來,使門管image.png導(dǎo)通。要寫入的數(shù)據(jù)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(dǎo)通,數(shù)據(jù)便通過數(shù)據(jù)總線與被選中的一系列數(shù)據(jù)線聯(lián)通,寫入被選中的第一行第一列單元。

b.讀出 讀出操作時(shí),使輸入端image.pngimage.png都是高電平。當(dāng)image.pngimage.png為“1”時(shí),被選中的單元與數(shù)據(jù)線聯(lián)通后,與單元中通導(dǎo)的管子相聯(lián)的數(shù)據(jù)線就有電流流過。例如image.png導(dǎo)通時(shí),則D線上有電流通過;如image.png導(dǎo)通,則萬線上有電流通過,這個(gè)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(shí)具有“刷新”的功能。當(dāng)讀出時(shí),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(shù)據(jù)總線接通,所以位線上預(yù)充電管(如image.png)要通過導(dǎo)通的門控管對(duì)單元進(jìn)行“刷新”,以補(bǔ)充柵電容上漏去的電荷。存貯器還有專門“刷新”操作,是定時(shí)地一行、一行進(jìn)行的。它的方法和讀出操作一樣,只是不要加片選信號(hào)。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram。刷新過程是逐行進(jìn)行的。在一個(gè)刷新周期內(nèi),需要刷新32行。刷新一行所需的時(shí)間大致等于讀出周期時(shí)間,為了不使存貯的內(nèi)容丟失,必須定期刷新,例如每隔2ms刷新一次,在刷新時(shí)間內(nèi)不能進(jìn)行讀寫。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram


圖4-6(a)、(b)分別是存貯器的寫入和讀出的工作時(shí)序圖。其中image.png是預(yù)充電時(shí)鐘脈沖寬度,它要保證在數(shù)據(jù)線上建立穩(wěn)定的5V電平image.png。這取決于圖4-5中image.png四管的導(dǎo)通電阻和數(shù)據(jù)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(shí)間常數(shù)image.pngimage.png是時(shí)鐘。和片選信號(hào)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(dǎo)通后,輸入的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上建立穩(wěn)定電平,并使存貯單元變成寫入所要求的穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。如果是讀出,則保證讀出數(shù)據(jù)電流在輸出端穩(wěn)定出現(xiàn)的時(shí)間。前者取決于image.png管的導(dǎo)通電阻,數(shù)據(jù)線分布電容和存貯單元觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)間;后者取決于這些管子的導(dǎo)通電阻。


表示存貯器速度的時(shí)間參數(shù)有:訪問時(shí)間(取數(shù)時(shí)間)和循環(huán)時(shí)間。訪問時(shí)間是指從地址碼輸入到有效數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間。它包括地址譯碼器的延遲以及片選信號(hào)加入后在讀出電路上的延遲image.png。循環(huán)時(shí)間指存貯器完成一定操作的基本時(shí)間周期,故也稱循環(huán)周期。所謂一定的操作,是指進(jìn)行讀出-寫入或?qū)懭胍蛔x出時(shí)的各種操作。循環(huán)周期是指上述各種操作中最長(zhǎng)的。圖4-6中的image.png表示完成了寫入后再進(jìn)行下一操作的周期,而image.png表示完成了讀出后再進(jìn)行下一操作的周期。循環(huán)周期由二者中大的一個(gè)決定。


(2)三管動(dòng)態(tài)存貯器

①三管存貯單元 

三管單元的存貯器是目前應(yīng)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(jī)存儲(chǔ)器ram三個(gè)管子、兩根讀寫選 擇線和兩根讀寫數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)電容上,若image.png兩端存貯信號(hào)1”,則image.png導(dǎo)通,若image.png兩端存貯信息為“0”,則image.png截止。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram



b.image.png單元 這由三個(gè)MOS管和兩根讀寫選擇線及一根數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(gè)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(jī)存儲(chǔ)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(yù)充電脈沖image.png,使么導(dǎo)通,對(duì)讀出線預(yù)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(dǎo)通。若柵電容image.png上存的信號(hào)為1”,image.png處于導(dǎo)通狀態(tài),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(jī)存儲(chǔ)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(jī)存儲(chǔ)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(jīng)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(yù)充電脈沖P,使image.png導(dǎo)通,使寫入線預(yù)充圖電至image.png,接著,重復(fù)上述的讀出過程。讀出過程結(jié)束,讀出線上出現(xiàn)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(dǎo)通,加上刷新控制脈沖image.png,使image.png導(dǎo)通,寫入線就通過image.png。放電至“0”,當(dāng)寫選擇線被選通后,使image.png導(dǎo)通,寫入線上的“0”信號(hào)就重新寫入到節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)線從image.png沒有通路,所以寫入線保持“1”電平。當(dāng)寫選擇線被選通后,image.png導(dǎo)通,“1”信號(hào)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(jīng)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(fù)上述的讀出刷新過程,等上述過程結(jié)束,給一個(gè)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(yù)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(yán)格的時(shí)序,以保證單元正確地工作。若控制脈沖的時(shí)序發(fā)生混亂,讀出和寫入就發(fā)生混亂,這是這種三管單元存貯器的一個(gè)缺點(diǎn)。

(3)單管動(dòng)態(tài)存貯器

單管動(dòng)態(tài)存貯器存貯單元的器件數(shù)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(guī)模和超大規(guī)模RAM發(fā)展的主要形式。圖4-9為單管動(dòng)態(tài)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(jī)存儲(chǔ)器ram。它是由一個(gè)MOS管image.png和電容image.png組成。image.png作為門控管控制數(shù)據(jù)的進(jìn)出,它的柵接讀寫選擇線(字線),image.png的一端接數(shù)據(jù)線,另一端接存貯電容image.png的數(shù)值應(yīng)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(jī)存儲(chǔ)器ram


①寫入 當(dāng)行、列譯碼器選址后,image.png導(dǎo)通,接著施加寫入控制脈沖image.png導(dǎo)通,加在image.png線上的數(shù)據(jù)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(dǎo)通,由于此時(shí)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(shí)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(shù)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(shí)際上,由于image.png上的電荷要給image.png再分配,會(huì)造成讀出時(shí)的損失。下面,我們將定量分析一下讀出時(shí)信息的損失情況與存貯電容、位線分布電容的關(guān)系。

如果單元存貯信息“1”電平為image.png,位線預(yù)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(jié)點(diǎn)上將得到平衡后的“1”電平image.png,這時(shí)image.png上的電荷量分別為image.png。根據(jù)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(jī)存儲(chǔ)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(jī)存儲(chǔ)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(shù)成正比關(guān)系,存貯位數(shù)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(shí)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(hào)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(hào)的破壞。MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram。為了能保證存貯器正常工作,以便讀出微弱信號(hào),必須有一個(gè)高靈敏度的讀出放大器,在每一列中有一個(gè)再生放大器,以補(bǔ)償讀出時(shí)破壞的數(shù)據(jù)。所以設(shè)計(jì)高靈敏度的再生放大器,是單管單元存貯器的關(guān)鍵。


與其它動(dòng)態(tài)存貯器一樣,單管單元存貯器也要進(jìn)行刷新操作。其過程是這樣的:當(dāng)行、列譯碼器選址后,施加刷新控制脈沖image.png,使image.png導(dǎo)通,存于image.png上的信息經(jīng)高靈敏度讀出放大器放大,再經(jīng)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(jié)構(gòu)示意圖。從圖中看到,傳輸管的源擴(kuò)散區(qū)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(jié)和硅柵電容組成。這樣既節(jié)省了面積,增大了image.png,又減小了位線節(jié)點(diǎn)電容。


MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器ram


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