EE610 Eletrnica Digital IProf. Fabiano FruettEmail: fabiano@dsif.fee.unicamp.br

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Memrias Semicondutoras2. Semestre de 2007

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Circuitos Integrados DigitaisMemrias Semicondutoras Classificao Arquitetura Clulas de memria RAM ROM Circuitos perifricos

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Classificao das Memrias SemicondutorasRWM RAM SRAM DRAM Seqencial FIFO LIFO Shift register

ROM ROM fixa PROM EPROM EEPROM

RWM - Memria de escrita e leitura ROM Memria apenas de leitura RAM Memria de acesso aleatrio

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RWM - Memria de escrita e leituraRAM Memria de acesso aleatrio: Tempo de escrita e leitura independem da localizao fsica da informao. Memria voltil. SRAM RAM esttica: Utilizam flip-flops como clulas. Retm o dado indefinidamente DRAM RAM dinmica: Utilizam capacitores como clulas.rea de clula reduzida. Circuito de leitura e escrita relativamente complexo. Necessitam regenerao peridica (refresh). Memria de acesso no aleatrio (memrias seqenciais/seriais): As informaes so disponveis em uma ordem predeterminada. Tempo de acesso depende do nmero de endereos interpostos entre a localizao acessada no presente e a localizao qual se deseja acesso (so relativamente lentas). Apresentam a vantagem de serem mais econmicas que as RAM. FIFO First In First Out: Primeira palavra a entrar a primeira a sair LIFO Last In First Out: ltima palavra a entrar a primeira a sair (Pilhas de memria). Registradores de deslocamento: Deslocamento de dados para direita/esquerdaMemrias 4

ROM Memria apenas de leitura:Memria no voltil que contm dados fixos. Geralmente so de acesso aleatrio. Alta velocidade. ROM fixa: Os dados armazenados so determinados no momento de fabricao, de acordo com as especificaes do usurio. PROM ROM programvel: A ROM programvel evita que se faa um projeto para cada ROM encomendada. PROM programvel por mscara: Utilizam a programao por mscara atravs da ltima camada de metalizao. PROM programvel eletronicamente: Podem ser programveis apenas uma vez pelo usurio atravs da queima de fusveis de silcio. EPROM ROM programvel e apagvel: Pode ser apagada e reprogramada quantas vezes o usurio quiser. Processo de apagamento e reprogramao relativamente lento. Necessidade de iluminao ultravioleta. EEPROM Rom programvel e apagvel eletricamente: Verstil!Memrias 5

Organizao da pastilha de memria RAM2M+N bits organizados como uma matriz de 2M linhas 2N colunas

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Fig. 13.54

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Partio da pastilha de memria por blocosRow Address Column Address Block Address

Global Data Bus Control Circuitry Block Selector Global Amplifier/Driver I/O

Vantagens: Advantages: 1. Shorter wires within blocks 1. Comprimentos fsicos das linhas diminuem => resposta transitria rpida 2. Block address activates only 1 block => power savings 2. Endereo do bloco ativa apenas um bloco por vez => economia de energiaMemrias 7

Temporizao na pastilha de memria Tempo de acesso memria (memory access time) o tempo entre o inicio de uma operao de leitura e o surgimento do dado na sada. Tempo de ciclo de memria (memory cycle time) o tempo mnimo permitido entre duas operaes consecutivas de memria (geralmente leitura e escrita na mesma posio).

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A linha uma rede distribuda que pode ser aproximada por um circuito consistindo de um resistor e um capacitor.Exemplo: A resistncia de cada linha de palavra foi estimada como sendo 5 k e a capacitncia total entre a linha e o terra como sendo 2 pF. Obtenha o tempo para que a tenso na linha de palavras alcance VDD/2, assumindo que as linhas so alimentadas por uma tenso VDD fornecida por um inversor de baixa impedncia.

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Clulas RAMO objetivo principal do projetista : 1) Reduzir a rea da clula 2) Reduzir a dissipao de potncia por clula

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Clula de memria SRAM CMOS

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Fig. 13.55

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Layout da clula de memria SRAM CMOSVDDM2 M4

QM1 M3

Q

GNDM5 M6

WL

BLMemrias

BL12

Operao de leitura0

0

1

Admitimos que inicialmente a clula armazena Q=1MemriasFig. 13.55

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Operao de leitura

VDD/2

VDD/2

0 CB

1 CB

As colunas B e B so pr-carregadas com uma tenso intermediria, normalmente VDD/2.MemriasFig. 13.55

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Operao de leitura1

VDD/2

VDD/2

0 CB

1 CB

A linha de palavra selecionada, carregando CB e descarregando CB. V 0.2 V Operao no destrutiva.MemriasFig. 13.55

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Partes relevantes do circuito de uma SRAM durante a operao de leitura e quando a clula tem um 1 armazenado.

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Fonte: Sedra

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Operao de escrita0

0

1

Admitimos que inicialmente a clula armazena Q=1MemriasFig. 13.55

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Operao de escrita1 = VDD

VDD 1

0

1 0

0V

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Fig. 13.5518

Por que a componente do atraso de escrita muito menor que a componente correspondente da operao de leitura? Isso ocorre porque na operao de escrita apenas uma pequena capacitncia CQ (determinada pelo n interno do flip-flop) precisa ser carregada ou descarregada. Enquanto na operao de leitura devemos carregar (ou descarregar) as capacitncias muito maiores das linhas B e B.

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Clula de memria dinmica

As DRAMs so normalmente 4 vezes mais densas que as SRAMs, por outro lado, DRAMs necessitam de circuitos de leitura e escrita mais elaborados e regenerao peridica (refresh).MemriasFonte: Sedra

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Variao da tenso na linha de bitLei da conservao de cargas:

1 armazenado na clula resulta em um pequeno incremento positivo na linha de bit. 0 armazenado resulta em um pequeno incremento negativo. O Processo de leitura da RAM dinmica destrutivo, j que a tenso sobre CS no ser mais (VDD-Vt) ou 0.Memrias 21

Operao de leituraA variao na tenso de linha de bit detectada e amplificada pelo amplificador sensor. O sinal amplificado aplicado ao capacitor de armazenamento, restaurando seu nvel apropriado. Todas as clulas na linha selecionada so restauradas. Simultaneamente, o sinal na sada do amplificador sensor da coluna selecionada levado a linha de dados de sada pela ao do decodificador de coluna.

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Operao de escritaO bit de dados que deve ser escrito aplicado pelo decodificador de coluna linha de bit selecionada. Se o bit a ser armazenado um 1, a tenso na linha de bit elevada para VDD (CB carregado com VDD). Quando o transistor de acesso ligado, seu capacitor CS carregado at VDD-Vt. Simultaneamente, todas as outras clulas da linha selecionada so restauradas.

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Circuitos perifricos Amplificador sensor Decodificador de endereos de linha Decodificador de endereos de coluna

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Decodificador de endereo de linha -decodificador de endereos NOR na forma de matriz

Linhas de palavras

Entradas Memrias

Fig. 13.63

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Exemplo A: A0 = A1 = A2 = 01 0 0 0

0 1 0 1 0 1 0Fig. 13.63

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Exemplo B: A0 =1; A1 = A2 = 00 1 0 0

0 1 0 1 0 0 1Fig. 13.63 27

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Um decodificador de endereos de coluna

Implementado pela combinao de um decodificador NOR em um multiplexador com transistores de passagem.MemriasFig. 13.64 28

Decodificador de coluna em rvore

O caminho em destaque mostra os transistores que esto conduzindo quando A0=1, A1=0 e A2=1, que conecta a linha B5 a linha de dados.MemriasFig. 13.65 29

RWM seqencial com CCD

Fonte: H. Taub and D. Schilling, Digital Integrated Electronics Memrias 30

Transferncia de carga

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Memria apenas de leitura (ROM) ROM fixa (referida apenas como ROM) ROM programvel (programmable ROM PROM) ROM programvel e apagvel Programmable ROM EPROM) ROM programvel (EEPROM) e apagvel (Erasable

eletronicamente

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ROM MOS fixa organizada com 8 palavras 4 bits.Decodificador de linha seletor

SadaMemriasFig. 13.66

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ROM programvel por mscara (MROM) Uma das etapas finais do processo de fabricao consiste em depositar em toda a superfcie da lmina uma camada de alumnio e depois seletivamente (usando uma mscara), remover por corroso o alumnio. Deixando o alumnio somente onde devem existir conexes. Dessa forma os MOSFETs so includos em todas as localizaes dos bits, mas somente as portas daqueles transistores nos quais os zeros sero armazenados sero conectados s linhas de palavras. Dessa forma, todas a ROMs so fabricadas de modo similar; a diferena ocorre apenas durante as etapas finais de fabricao.Memrias 34

ROMs programveis PROMs podem ser programadas pelo usurio apenas uma vez. Queima de fusvel policristalino (processo irreversvel)

EPROMs podem ser apagadas e reprogramadas quantas vezes o usurio desejar. Utilizam transistor NMOS de porta flutuante

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PROM

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Fonte: R. Tocci and N. Widmer, Digital Systems

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PROMs0 1 2 3

decoder

inputs

4 5 6 7

Programvel por quebra de conexesMemrias 37

Transistor de porta flutuante usado como clula EPROM

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Fig. 13.67 38

Deslocamento na caracterstica iD-vGS de um transistor de porta flutuante como resultado da propagao

Sem carga aprisionada na porta flutuanteMemrias

Com carga aprisionada na porta flutuanteFig. 13.68 39

Transistor de porta flutuante durante a programao

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Fig. 13.6940

EPROM 2764

Ronald J. Tocci and Neal S. Widmer Digital Systems, Eighth Edition

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Comparao de memrias no volteis

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Memria Flash Tipo de EEPROM Programao feita atravs de tenses elevadas, processo Fowler-Nordheim tunneling. As informaes podem ser apagadas rapidamente (bulk)

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Memria Flash

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http://computer.howstuffworks.com/flash-memory1.htm 44

Memria Flash comercial

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Tecnologia MLC Multi-Level Cell propicia o armazenamento de mltiplos bits por clula atravs da programao do dispositivo de porta flutuante com mltiplos nveis de Vt.

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Exerccios7) Exemplo 13.6 Sedra p. 1040; Operao dinmica da clula CMOS SRAM 8) 13.21 Sedra p. 1044 9) 13.28 Sedra p. 1057; Estimativa dos vrios tempos de atrasos envolvidos na operao de uma ROM

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