Микросхемы программируемых ПЗУ

Комплектующие, радиокомпоненты / Радиодетали / Микросхемы
Administrator
3 691
23-05-2019, 23:14
0

Микросхемы ППЗУ по принципу построения и функционирования аналогичны масочным ПЗУ, но имеют существенное отличие в том, что допускают программирование пользователем. Операция программирования заключается в разрушении (пережигании) плавких перемычек на поверхности кристалла импульсами тока амплитудой 30...50 мА. Технические средства для выполнения этой операции имеют два варианта исполнения: в виде автономного и модульного программаторов. Первое устройство представляет собой самостоятельный прибор промышленного производства. Программаторы могут быть реализованы по сравнительно простым схемам самими пользователями. Модульный программатор работает под управлением персональной ЭВМ и представляет собой специализированное устройство, сопряженное с данной ЭВМ. Такой программатор в сочетании с ЭВМ и программным обеспечением образует систему автоматизированного программирования микросхем ППЗУ.

Выпускаемые промышленностью микросхемы ППЗУ (табл. 1) изготовлены в основном по ТТЛШ-технологии. Среди них преобладают микросхемы серии КР556 (рис. 1).

Таблица 1. Характеристики микросхем ППЗУ

Микросхема	Емкость, \| бит	*А(А). ^нс	Р_сс, мВт	I Тип \| выхода	Исходное состояние	Корпус
КР556РТ1	плм	50	850	ТТЛ—ок	1920*	2124.28-1
КР556РТ2	плм	70	850	ТТЛ—3	1920*	2121.28-1
КР1556ХЛ8	плм	40	900	ттл-з	2048*	2140.20-4
КР556РТ4	256X4	70	690	ТТЛ—ок	0	238.16-2
КР556РТ5	512X8	50	.893	ТТЛ—ок	1	239.24-2
КР556РТ6	2КХ8	80	920	ТТЛ—ок	0	239.24-2
КР556РТ7	2КХ8	60	920	ТТЛ—3	0	239.24-2
КР556РТ11	256X4	45	680	ТТЛ—3	0	238.16-2
КР556РТ12	1КХ4	60	735	ТТЛ—ок	0	2104.18-5
КР556РТ13	1КХ4	60	735	ТТЛ—3	0	2104.18-5
КР556РТ131	1КХ4	35	735	ттл-з	0	2104.18-5
КР556РТ14	2КХ4	60	735	ТТЛ—ок	0	2104.18-5
КР556РТ15	2КХ4	60	735	ТТЛ—3	0	2104.18-5
КР556РТ16	8КХ8	85	998	ТТЛ—3	0	239.24-2
КР556РТ17	512X8	50	998	ТТЛ—3	1	239.24-2
КР556РТ18	2КХ8	60	900	ТТЛ—3	с	239.24-2
КР556РТ20	1КХ8	30	920	ТТЛ—3	0	239.24-2
К541РТ1	256X4	80	500	ттл-ок	0	402.16-21
К541РТ2	2КХ8	80	770	ТТЛ—ок	0	—
КР573РТ5	2КХ8	450	500	ТТЛ—3	—	2120.24-3
КР573РТ6	8КХ8	450	600 ,	ТТЛ—3	—	2121.28-5
КР565РТ1	1КХ4	300	13	ТТЛ—3	—	210А.22-3
К1608РТ2	512X8	35	920	ТТЛ—3	0	2108.22-1
К1623РТ1	2КХ8	200	_	ттл-з	—	—
К1500РТ416	256X4	20	670	эсл-оэ	1	4112.16-9
KI55PE3	32X8	70	550	ТТЛ—ок	0	238.16-2

* Число перемычек (точек коммутации).

Рис. 1. Микросхемы программируемых ПЗУ

Функциональный состав серии включает микросхемы емкостью IK... 64К бит со словарной четырех- или восьмиразрядной организацией, временем выборки 30... 85 не и уровнем потребляемой мощности 0,5 ... 1 Вт. Типичные значения входных и выходных токов при сигналах с уровнем лог. 0 равны 0,25 и 15 мА соответственно. Допустимое напряжение статического электричества не превышает 30 В, что обусловливает необходимость принятия мер защиты при работе с микросхемами.

Небольшая часть микросхем выполнена по другим технологиям: ИИЛ (К541), nМДП (К565), ЭСЛ (К500, К1500), КМДП (К1623). Микросхемы серии К1623 отличаются самым низким уровнем энергопотребления, но по быстродействию они существенно уступают микросхемам серии К556.

Для микросхем ППЗУ всех серий, кроме К500, К1500, К565, характерны такие свойства, как единое напряжение питания 5 В и единые ТТЛ-уровни сигналов в состояниях лог. О <0,5 В) и лог. 1 (2,4 В) и, следовательно, полная совместимость микросхем, наличие однотипных выходов: либо с тремя состояниями (ТТЛ—3), либо с открытым коллектором (ТТЛ—ОК). Микросхемы с выходами ТТЛ—ОК требуют подключения к ним внешних резисторов и источника напряжения питания для формирования выходного сигнала.

В исходном состоянии перед .программированием накопитель содержит однородный массив легкоплавких проводящих перемычек, соединяющих эмиттеры (истоки) транзисторов с шинами столбцов. Перемычки устанавливают в виде нихромовых и титан-вольфрамовых пленок у микросхем серии КР556, пленок из поликристаллического кремния (серия К541), из силицида платины (серия К1608) и других материалов. Наличие перемычки соответствует единице, если выходы микросхемы прямые, или нулю, если выходы инверсные. Следовательно, микросхема в исходном состоянии, как ее выпускает завод-изготовитель, может иметь заполнение матрицы либо 1, либо 0. В табл. 1 информация о начальном заполнении накопителя микросхемы помещена в колонку «Исходное состояние».

В процессе программирования пережигание перемычек производят в тех точках накопителя, в которых необходимо изменить логическое состояние, например, программирование микросхемы с заполнением нулями состоит в пережигании перемычек в точках, куда следует записать единицу.

В процессе программирования не все микросхемы могут быть приведены в рабочее состояние, так как в части из них не удается пережечь перемычки. Для количественной оценки числа таких микросхем введен специальный показатель — коэффициент программируемое™, определяемый отношением числа правильно запрограммированных микросхем к общему числу микросхем, подвергшихся программированию. Значения этого коэффициента для микросхем серии КР556 лежат в пределах 0,5... 0,75 прн объеме партии до 100 шт., 0,65...0,85 при объеме партии до 1000 шт., 0,7 ... 0,95 при объеме партии более 1000 шт. Предприятие-изготовитель может - поставлять микросхемы ППЗУ, имеющие начальную информацию в некотором числе ячеек накопителя. Эти ячейки указываются в сопроводительном документе. При записи (программировании) информации в ППЗУ необходимо учитывать наличие ячеек с измененным состоянием и выбирать такую программу, в которой^У записываемая в эти ячейки информация совпадает с начальной.

Управление микросхемами ППЗУ осуществляют сигналами выбора, которых может быть несколько, считывания и разрешения выхода. Для доступа к накопителю необходимо на входы выбора подать сигнал (сигналы, если таких входов несколько) с активным состоянием. Например, для доступа к микросхемам КР556РТ5 и КР556РТ17 (см. рис. 1, в) сигналы выбора должны иметь следующие состояния: CSi-1, CSj-l, CSi-0, CSi»0. Нарушение этого уcловия хотя бы для одного входа исключает доступ к накопителю для считывания информации. В этом случае микросхема будет находиться в состоянии хранения, в котором выходы принимают Z-состояние или устанавливаются в состояние лог. 1 (для выходов с открытым коллектором).

Обычно входы для сигналов выбора используют в качестве дополнительных адресных входов при управлении ими в составе модуля ПЗУ.

Считывание информации может осуществляться в асинхронном или тактируемом режиме. Те микросхемы, которые содержат в своей структуре тактируемые функциональные узлы, например КР556РТ20 (рис. 1, з) К1608РТ2, требуют подачи в каждом цикле тактового сигнала С. Такие микросхемы могут работать, очевидно, только в тактируемом режиме доступа. Однако большинство микросхем допускают применение обоих режимов. При считывании адресом быстродействие микросхемы оценивается временем выборки адреса, значение которого для микросхем ППЗУ приведено в табл. 1. При считывании сигналом выбора быстродействие оценивают временем цикла, равным сумме длительности импульса сигнала выбора и интервала времени между соседними сигналами выбора: tcY = tw(»cs) + tREC(c:S). Время выборки в этом режиме считывания определяется выражением tA(A)= tsu(A-cs) + tcs« видно, данное значение времени выборки адреса будет больше, чем при считывании в асинхронном режиме.

Разновидностью ППЗУ являются программируемые логические матрицы (ПЛМ). Микросхемы ПЛМ КР556РТ1 и КР556РТ2 имеют идентичные характеристики и конструктивные параметры, но отличаются типом выхода: у микросхемы РТ1 выход с ОК, а у РТ2— с тремя состояниями. Обе микросхемы предназначены для реализации комбинационных устройств, выполняющих логические операции над входными переменными и их инверсиями при соблюдении присущих микросхемам ограничений на число переменных, число конъюнкций и дизъюнкций. Данные микросхемы ПЛМ рассчитаны на образование восьми функций от 16 входных переменных А₀...А_1б, инверсии от которьис формируются внутри микросхемы. Устройство микросхем ПЛМ рассмотрено в § 1.2.

Функциональные возможности микросхем ПЛМ можно оценить следующими данными: каждая из восьми выходных функций представляет собой логическую сумму произведений число которых может быть до 48, в каждое произведение (конъюнкцию) может входить до 16 переменных и их инверсий. Таким образом, нетрудно подсчитать общее число точек коммутации, которые содержат матрицы И и ИЛИ: это число равно 1920, из них 1536 в матрице И и 384 в матрице ИЛИ.

Микросхемы ПЛМ характеризуются следующими статическими параметрами: напряжение питания 5В±5%, уровни входных и выходных сигналов не более 0,5 В для состояния лог. 0 и не менее 2,4 В для состояния лог. '1, входной и выходной токи низкого уровня соответственно 0,25 и 9,6 мА, предельная емкость нагрузки 100 пФ, допустимое значение напряжения статического электричества не более 30 В.

Программирование микросхем ПЛМ заключается в пережигании перемычек в тех связях, которые необходимо исключить. Для выполнения этой операции служат встроенные в микросхему узлы программирующей части, управляемые сигналом PR. В режимах хранения и считывания сигнал на этом входе должен иметь состояние лог. 0. Программирование осуществляют в три этапа: вначале программируют матрицу И, затем матрицу ИЛИ и выходные усилители. Методика программирования изложена в § 3.4.

Для управления доступом к микросхеме используется сигнал выбора CS, наличие которого позволяет наращивать число входных переменных и выходных функций объединением нескольких микросхем.

Микросхемы ПЛМ целесообразно использовать для реализации логических функций, преобразователей кодов, формирователей управляющих сигналов и т. ;f. Особенно эффективны микросхемы ПЛМ в тех случаях, когда необходимо получить небольшое количество функций от многих переменных.

Процедуру предварительной записи информации в микросхему ППЗУ перед установкой на печатную плату называют ее программированием. Эта операция является составной частью решения любой практической задачи по применению микросхем ППЗУ.

В исходном для программирования состоянии микросхема ППЗУ в своей матрице имеет все перемычки, что соответствует наличию во всех элементах памяти 0 или 1 в зависимости от характеристики усилителя считывания (см. § 3.2). Программирование микросхемы представляет собой процесс пережигания перемычек в тех ЭП, где требуется изменить информацию. Эту операцию выполняют с помощью устройства, называемого программатором, в ручном или автоматическом режиме.

Пережигание перемычек производят по одной последовательно во времени, чтобы не нарушать температурный режим микросхемы. Принцип программирования поясним с помощью рис. 3.9, на котором показаны элементы простейшего программатора: устройство для формирования кода адреса, устройство контроля, генератор одиночных импульсов, группа переключателей SA1—SA4 и контактов реле Kl.l—К1.3, обеспечивающих коммутацию цепей при программировании микросхемы.

На этапе подготовки микросхему проверяют на наличие лог. 0 во всех ЭП, подавая на входы Аo... А₇ все адресные наборы и контролируя состояние выходов устройством контроля. Надо иметь в виду, что предприятие-изготовитель оставляет за собой право поставлять микросхемы ППЗУ с начальной информацией в некотором количестве ячеек памяти, обычно не более четырех.

Рис. 3.9. Простейший программатор микросхем ППЗУ

Причиной такого явления могут быть испытания микросхем на программируемое^ лри их выпуске. Применительно к микросхеме К556РТ4 это означает, что ряд ячеек памяти может содержать лог. 1. Ячейки с начальной информацией указывают в сопроводительном документе. При программировании надо либо исключать из обращения ячейки с начальной информацией, либо записывать в них информацию с учетом имеющихся в них лог. 1. По окончании контроля начального состояния микросхемы ключами SA1—SA4 закорачивают ее выходы с корпусом. Управляющие входы CS1 и CS2 также соединены с корпусом. Заметим, что при программировании микросхем с начальным заполнением лог. 1 выходы соединяют не с корпусом, а с источником напряжения 5 В. На этапе программирования кодом адреса выбирают ячейку памяти, в которую необходимо занести лог 1. Затем размыкают ключ того выхода, которому принадлежит программируемый ЭП, и запускают генератор одиночных импульсов. Реле К1, переключив свои контакты, коммутирует на выводы CS2, U_cc и выбранного выхода DO напряжение 12,5 В на короткое время. Время программирования в нашем примере определяет длительность удержания реле во включенном состоянии. Обычно для пережигания перемычки достаточно 100... 300 мс. С началом программирования в структуре микросхемы (рис. 1.13) открывается формирователь выбранного выхода, например г 2, и создается низкоомная цепь для тока от 1100=12,5 В через открытый эмиттерный переход транзистора i строки и второго столбца через открытый ключ VT2 и выход F₂ на корпус. Протекающий через перемычку импульс тока значительной амплитуды пережигает ее. В это время формирователи других выходов закрыты, поскольку все ключи, кроме SA2, замкнуты. В следующий цикл программируют другой ЭП этой же ячейки памяти и так до тех пор, пока не будут занесены все 1 в данную ячейку. Затем изменением адреса выбирается соседняя ячейка и цикл повторяется.

После программирования следует проверить состояние всех ячеек памяти и при необходимости повторить программирование. Необходимость повторения программирование только части выпускаемых микросхем. Эту часть оговари-вполне вероятна, так как предприятие-изготовитель гарантирует надежное программирование только части выпускаемых микросхем. Эту часть оговаривают в ТУ коэффициентом программирования, значение которого для разных типов микросхем ППЗУ лежит в пределах 0,65...0,9. Например, для рассматриваемой микросхемы КР556РТ4 коэффициент программирования равен 0,65. Это означает, что из 100 микросхем, подвергнутых программированию, только у 65 гарантированы правильная запись информации и соответствие их электрических параметров установленным нормам.

Более надежным является программирование путем подачи трех серий импульсов (на вход управления, на выход питания и на выбранный выход) длительностью 25... 50 мкс каждый со скважностью 10 и фронтом 0,3... 3 мкс. Такой режим программирования может быть реализован схемой программатора с автоматическим формированием программирующих импульсов.

При программировании микросхем ППЗУ надо учитывать возможность восстановления проводящей перемычки со временем из-за явления миграции электронов. Установлено, что если пережигание происходит при импульсе с крутым фронтом, то оно носит характер микровзрыва с интенсивной окислительной реакцией на краях разрыва. В таком случае возможность восстановления перемычки существенно уменьшается. Практически отсутствует эффект восстановления после пережигания перемычек из поликристаллического кремния (серия К541) и силицида платины (серия К1608).

Технология программирования микросхем ППЗУ предусматривает три режима: нормальный, форсированный и дополнительный. Более подробно вопрос программирования микросхем ППЗУ рассмотрен в [22]. Здесь лишь заметим, что указанные режимы отличаются длительностью программирующих импуль* сов и их количеством. Например, если в нормальном режиме для микросхем серии К556 общее время записи не должно превышать 400 мс, то в форсированном режиме это время увеличивают до 1,5 с. Если после указанных режимов программирования информацию записать не удается, то микросхему бракуют.

Для выявления слабых мест в запрограммированной микросхеме ее подвергают электротермотренировке в течение не менее 168 часов при температуре 125° С с последующим контролем правильности записанной информации и электрических параметров. В случае нарушения записанной информации повторяют цикл программирования и электротермотренировку. При повторном нарушении информации микросхему бракуют. При программировании микросхем с перемычками из поликристаллического кремния (серия К541) и из силицида платины (серия К1608) электротермотренировку можно не проводить.

Варианты программаторов, рассчитанных на ручной режим программирования и удобных для практической работы в любительских условиях, приведены на рис. 3.10 и 3.11.

Рис. 3.10. Принципиальная схема программатора микросхем ППЗУ, (вариант 1)

Рис. 3.11. Принципиальная схема программатора микросхем ППЗУ (вариант 2)

Функциональная схема программатора (рис. 3.10) состоит из генератора одиночных импульсов длительностью 50... 100 мс, построенного на элементах DD2.1— DD2.4 и управляемого кнопкой S6, формирователя кода адреса на переключателях S1—S5, электронного ключа VT1—VT4 с временем коммутации менее 1 мкс для подачи на выбранный переключателем S7 выход микросхемы ППЗУ DDI и на ее вывод U_cc напряжения программирования Upr=10B, устройства контроля записи на диодах VD4, VD5.

Данный программатор легко приспособить для работы с микросхемами ППЗУ большей емкости, чем К155РЕЗ, расширив адресное устройство.

В исходном состоянии матрица микросхемы KI55PE3 заполнена нулями. Чтобы проверить это, необходимо последовательно обратиться при установленном переключателями SI—S5 адресе к каждому элементу памяти переключателем S7. Если в данном ЭП перемычка цела, т. е. там находится 0, то свето-

диод VD5, зашуитироваиный диодом VD4, гореть не будет. При нарушении перемычки, что соответствует 1 в данном ЭП, светодиод загорится. Эту процедуру повторяют для всех 32 адресов микросхемы.

Программирование осуществляют в соответствии с картой прожига в следующем порядке: набирают адрес ЯП, переключателем S7 выбирают ЭП, в который следует записать 1, и кнопкой S6 запускают генератор. При этом формируется сигнал 1 разрешения программирования, который с выхода DD2.2 поступает на вход CS микросхемы ППЗУ. На выходе DD2.4 появляется отрицательный импульс, длительность которого 50... 100 мс задает цепочка R6C1. Транзистор VT1 закрывается, a VT2—VT4 открываются и коммутируют напряжение 10В на вывод питания DDI через R8, VD4 и выбранный S7 выход DDI через R9, VD3. После отжатия S6 автоматически осуществляется контроль: если диод VD5 загорелся, то запись удалась. При необходимости повтора режима записи (коэффициент программируемое™ у К155РЕЗ равен 0,3) рекомендуют увеличивать напряжение программирования ступенями по 0,5 да 14 В [51].

Аналогичное по назначению устройство для микросхем СППЗУ описано в [40].

Программатор (рис. 3.11) рассчитан на микросхему ППЗУ К556РТ4 [30]. Но при некоторой модернизации он может быть приспособлен и для программирования других микросхем серии К556.

Схема программатора включает набор переключателей SA1—SA8 для формирования кода адреса, переключатель SA9 выбора разряда, подлежащего программированию, генератор одиночных импульсов на микросхеме DDI (К155ЛЕ1), транзисторный ключ VT1 (КТ815А) и реле РЭС-10 (РС4.524.304) в цепи его эмиттера, индикатор результата программирования — светодиод HL1 (АЛ307).

Перед программированием устанавливают положения переключателей SA1—SA8 и SA9. При нажатии на кнопку «Запись» срабатывает генератор одиночного импульса и на его выходе (DD1.4) формируется импульс длительностью 100 мс. Этот импульс открывает транзистор VT1, и в результате происходит кратковременное срабатывание реле. Замыканием его контакта на вывод питания микросхемы ППЗУ и программируемый разряд подается напряжение 10... 15 В. Программирование микросхемы К556РТ4 состоит в пережигании легкоплавких перемычек в тех местах матрицы, куда требуется записать 1. Если эта операция выполнена успешно, то загорается индикаторный светодиод. Если перемычка не разрушена, то следует повторить операцию записи, повышая напряжение с 10 до 15 В.

Выпускаемые промышленностью программаторы, предназначенные для автономного применения, позволяют программировать микросхемы ППЗУ и РПЗУ в пошаговом и автоматическом режимах с контролем записи и предварительным редактированием заносимой в микросхему информации. Такими возможностями располагают, в частности, серийные программирующие устройства типа АУПП, 815, УЗП-80 и др.

Рис. 3.12. Устройство автоматического программирования микросхем ПЗУ:
а — структурная схема; б — подключение программируемой микросхемы;
в — временные диаграммы напряжений программирования

Активно разрабатываются и встроенные средства программирования, ориентированные на конкретные микроЭВМ, например «Электроника-60» [44], «Электроника К1-20» [46], «Электроника ДЗ-28» [24], «Радио-86РК» [39] и др. Перспективным для практики является направление создания универсальных программаторов для всех микросхем ППЗУ и РПЗУ, способных к быстрой перенастройке при изменении типа микроЭВМ [38, 32].

Такие программаторы должны иметь три программируемых источника с напряжением от 0 до 26 В, с токами нагрузки до сотен миллиампер и электронные ключи с временем переключения менее 0,6 мкс. Вариант структурного построения программатора встроенного типа представлен на рис. 3.12, а. Конструктивно программатор представляет собой модуль, который имеет средства сопряжения с системной магистралью через узел промежуточного интерфейса и с микросхемой ППЗУ, РПЗУ, которая должна быть запрограммирована. В структуру модуля входят блок программируемых источников напряжения, контроллер этого блока, буферные регистры адресов и данных, узел промежуточного интерфейса и узел сопряжения с программируемой микросхемой.

Основное назначение модулей программирования состоит в преобразовании «•сигналов в той или иной системной магистрали в сигналы, необходимые для программирования микросхемы конкретного типа. Например, микросхема К556РТ5 подключается к модулю по схеме на рис. 3.12,6 и ее программирование осуществляют сигналы генерируемых модулем амплитудно-временных диаграмм, показанных иа рис. 3.12, е.

Комплект модулей программирования и узлов сопряжения для микросхем ППЗУ, РПЗУ всей номенклатуры приведен в работах [23, 62].

При программировании микросхем СППЗУ оказывается необходимой операция контроля уровня выходных сигналов, поскольку при недостаточном заряде носителей, накапливаемом на «плавающем» затворе ЛИЗМОП-транзистора в процессе программирования, его состояние не будет соответствовать физическому уровню выходного напряжения 2,4 В и более. Аналогично может обнаружиться при стирании несоответствие состояния ЛИЗМОП-транзистора низкому уровню напряжения, равному 0,4 В или менее, из-за остаточного заряда носителей на «плавающем» затворе.

Для контроля уровня выходных сигналов микросхем СППЗУ при использовании автоматических программаторов можно применить устройство, приведенное на рис. 3.13 [4]. Устройство рассчитано на микросхемы К573РФ2 и К573РФ5, но оно может быть приспособлено и для контроля других микросхем серии К573.

Рис. 3.13. Устройство контроля уровня выходного напряжения микросхем ПЗУ при их программировании

В схему устройства входят восьмиканальный аналоговый мультиплексор DD2 (К564КП2) и два аналоговых компаратора DD3, DD4 (К554САЗ). Входы мультиплексора соединены с выходами контролируемой микросхемы DDI. Один из компараторов настраивается на пороговый уровень 0,4 В, другой — на пороговый уровень 2,4 В с помощью потенциометров R1 и R2.

Если при контроле на выходах обоих компараторов А и В появится сигнал с состоянием лог. 0, то это означает, что в контролируемый элемент памяти записан 0, если появится сигнал лог. 1, то, следовательно, в элемент памяти записана 1. Состояние контролируемого элемента памяти будет неопределенным, если на выходе одного из компараторов появится лог. 0, а другого — лог. 1.

Источник: http://rfanat.qrz.ru

Обсудить на форуме