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EPROM只读存储器原理与应用

只读存储器是目前应用及其广泛,特别以ROM为基础的只读存储器在数据存储、程序存储中得到大力推广,比如计算机的硬盘从机械硬盘转变为SSD硬盘后,无论速度还是客户体验都得到较大提高。下面就掩膜ROM,PROM,EPROM的结构与原理作详细介绍。

  1. 二极管结构只读存储器的结构及原理:

四位只读存储器的结构如图1所示:

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图1 四位只读存储器结构

  • 地址输入(A1,A0):

A1 A0 #Y0 #Y1 #Y2 #Y3 #OE=1 #OE=0
D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0
00 0 1 1 1 Z Z Z Z 1 0 1 1
01 1 0 1 1 Z Z Z Z 1 1 0 1
10 1 1 0 1 Z Z Z Z 0 1 0 0
11 1 1 1 0 Z Z Z Z 1 1 1 0

这里只是示意原理,以4位16个存储单元为例进行介绍,由于只有16个单元(16bits),每次选中4个单元,因次只需2根地址线即可A1,A0 。寻址范围0-3,也是ROM中的行线数目。

  • 译码单元:

这里采用2-4译码器,真值表如表1:其输出用来选择某一条位线。位线经上拉电阻与VCC(+5V)相连。当字线的某一位为0时,如#Y0为零,由于与#Y0连接的三个二极管导通,因此b3=0,b2=1,b1=0,b0=0; 经过反相器后D3D2D1D0=1011。

  • 数据输出:

D3-D0,决定存储器输出字长。由#OE 控制的反相器输出。

  • 采用掩膜技术:

二极管掩膜技术。即位线与字线需要连接的就采用掩膜技术形成二极管。

    • 扩展:

      • 地址及译码单元扩展。由两位地址线扩展成4位,8位,16位等。
      • 字长扩展。如由4位扩展成8位,16位,32位等
      • 芯片级联,包括字长扩展与地址译码扩展。
      • 无论扩展与否,存储器的内容是预先确定的,因此先有内容后生产芯片。

课堂练习:完成表2-1 对应图2-3 MASK ROM的掩膜数据存储与译码输出。

思考题:(1) 如何进行位扩展? (2)如何进行单元扩展?(3)阅读相关材料,掌握MASK ROM的相关背景知识。

2.  MOS管掩膜技术只读存储器结构与原理

  • 采用MOS管掩膜技术

采用MOS管掩膜技术比采用二极管掩膜技术的优点很明显,(1)二极管的压降比较大(硅二极管的压降一般在0.6到0.7V左右),而MOS管的饱和压降较小(0.1–0.2V),当字线由于负载增加时,多个二极管的负载电流会引起字线的电压升高,从而引起b3,b2,b1,b0的电位升高,使b3,b2,b1,b0处的电平出现误判。(2)二极管的电流流向字线,引起字线带负载能力下降,因此位数扩展受限,而MOS管的电流流向地,字线与MOS管的栅极相连,字线上的电流几乎为0,极大自强字线的带负载能力。

  • 采用行列译码的方式。

如图2所示:在对256个单元进行选择时,行译码位4位地址,有16根字线,列线16,交叉可以从256单元选择一个输出。

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图2 MOS掩膜技术

  • 在列输出采用数据选择器。

4位地址输入,将16位的输出线选择一位输出。结合字线. 完成256选1的输出。

  • 多位输出可以采用并联的方式。如256×8的译码输出,只要八个单元并列输出即可。
  • 采用行列输出的方式可以减少数据译码电路的逻辑。

如果直接采用256×1位的ROM需要256个8输入的与非门外加16个反相器。而采用二维结构,4线-16线行译码需要16个4输入与门和8个反相器。16-1的数据选择器需要16个5输入与门,一个16输入或门和8个反相器。可见二维的译码结构,大大减少了译码电路的规模。

  • 先有内容后确定如何掩膜,即芯片生产之前应先确定内容。

3. PROM的结构与原理:

最初的PROM是由厂家提供半定制的模式,用户购买后利用特殊的编程器可以进行一次性编程(OTP),虽然是一次性的的编程,但的确代表了技术进步,由原来ROM厂家提供的淹没技术编程,转移到用户编程。从而实现由内容确定芯片,到先生产芯片后编程使用的方式,从而厂家与用户由强绑定到分离的转变,这种进步是一种质的飞跃。后来由于多次可编程技术的飞速发展,OTP技术逐渐被EPROM所替代。

  • EPROM 的结构与原理

EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器,它的存储单元采用N沟道叠栅SIMOS管(SLICON-MOS),其结构及符号如图3所示。除控制栅外,还有一个无外引线的栅极,称为浮栅。当浮栅上无电荷时,给控制栅(接在行选择线上)加上控制电压,MOS管导通;而当浮栅上带有负电荷时,则衬底表面感应的是正电荷,使得MOS管的开启电压变高,如图2-6所示,如果给控制栅加上同样的控制电压,MOS管仍处于截止状态。由此可见,SIMOS管可以利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据。

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图3 SIMOS EPROM的单元

  • EPROM 的烧写与擦除

在写入数据前,浮栅是不带电的,要使浮栅带负电荷,必须在SIMOS管的漏、栅极加上足够高的电压(如25V),使漏极及衬底之间的PN结反向击穿,产生大量的高能电子。这些电子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上,从而使浮栅带有负电荷。当移去外加电压后,浮栅上的电子没有放电回路,能够长期保存。当用紫外线或X射线照射时,浮栅上的电子形成光电流而泄放,从而恢复写入前的状态。照射一般需要15至20分钟。为了便于照射擦除,芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。EPROM的擦除为一次性全部擦除,数据写入需要通用或专用的编程器。

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图4 栅源极电压改变

EPROM存储器在编程器一般都会进行擦除结果校验,确保整个芯片完全擦除后才能烧写。

  • EPROM的优缺点如下:

    • 优点:

程序员可以自己烧写程序,摆脱了程序员依赖PROM生产厂家定制程序,或一次性编程。从计算机机房走向工业应用。

    • 缺点:

依然需要价格昂贵的专门擦除设备,擦除时间长,编程前需要验证擦除的有效性,编程后需要密封防护,防止日光照射,使程序丢失。

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图4 紫外线擦除EPROM的外观示意图

  • EPROM的发展历程:

表2-2 列出了EPROM的系列产品,及发展历程。

表2

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表2 列出了EPROM的系列产品,其中有三个特点:

  1. 随着时间的推移,芯片的容量越来越大
  2. 由PMOS到NMOS,再到CMOS的转换
  3. 功耗和成本逐渐降低
  4. 使用越来越广泛,尤其在MCS-51单片机被广泛使用后,EPROM作为当时主要的外部程序和数据存储器。

目前已经逐渐被EEPROM和FLASH EPROM所取代。

思考题:如何利用EPROM实现7段数码管译码?

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