數(shù)字電子技術及應用（第3版） 課件 第5學習單元

“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材

經全國職業(yè)教育教材審定委員會審定王蘋主編沈璐曾貴苓徐琬婷梁薇副主編數(shù)字電子技術及應用（第2版）（ISBN978-7-121-26517-4）學習單元5

半導體存儲器教學導航實訓項目10流水燈控制電路的制作與調試

建議授課天數(shù)2天（12學時）完成項目任務所需知識點ROM的存儲原理、功能表讀解、管腳功能

知識重點ROM、RAM的功能表讀解、管腳功能知識難點ROM、RAM的存儲原理職業(yè)技能訓練能了解大規(guī)模集成電路半導體存儲器ROM、RAM存儲原理，能分析ROM、RAM構成電路的功能，能利用ROM、RAM構成功能電路并使用萬用表、示波器等儀器儀表進行調試能用555、計數(shù)器、ROM和門電路設計功能電路，能用計數(shù)器構成ROM的地址電路，能用固化器將數(shù)據存入E2PROM。能根據設計的原理圖選用IC芯片，并能列出材料清單并根據清單備齊所需元器件能根據電路制作與調試需要選用五金工具和焊接工具，制作短連線并能插接短連線，能對電子元器件引線浸錫能根據設計的原理圖進行合理的布線布局，使用焊接工具手工焊接實際電路（電路板）能正確焊接IC芯片管腳、電源線和地線能發(fā)現(xiàn)電路制作過程中出現(xiàn)的工藝質量問題，能編寫工作任務報告能團結小組成員、開展分工合作；具有成本意識、質量意識

推薦教學方法從任務出發(fā)，通過課堂聽講、教師引導、小組學習討論，實際芯片功能查找、實際電路焊接、功能調試，即“教、學、做”一體，掌握完成任務所需知識點和相應的技能

5-1只讀存儲器（ROM）5-2隨機存取存儲器（RAM）5.1只讀存儲器（ROM）知識分布網絡只讀存儲器ROMPROM的結構和存儲原理EPROM、EEPROM的結構和存儲原理固定ROM的結構和存儲原理ROM的結構和分類5.1.1只讀存儲器的結構與分類只讀存儲器的特點：只讀存儲器用來存儲二值信息代碼，其數(shù)據一旦寫入，在正常工作時，只能按給定的地址讀取所存內容，而不能改寫。存儲信息可靠，存儲器存儲的內容在斷電后不會消失，具有非易失性。5.1.1只讀存儲器的結構與分類只讀存儲器的組成結構n條地址輸入線（地址碼）

2n條譯碼輸出線

（字線）字：m位二進制數(shù)組成的一個二進制代碼稱作一個字字長：字所包含的二進制數(shù)的位數(shù)

字節(jié)：8位數(shù)的字存放一位二進制信息包含m個存儲單元存儲矩陣的m個輸出線（位線）存放二進制信息5.1.1只讀存儲器的結構與分類地址輸入線輸入相應二進制地址碼，經譯碼后其對應字線（字線Wi的下標i即對應的地址碼的十進制數(shù)）輸出有效電平高電平（又稱該字線被選中），選中對應的信息單元，信息單元中存儲的信息（字）就可由m條輸出線（位線）經輸出緩沖器輸出（D0~Dm-1），讀出該信息單元存放的信息。其余字線為低電平。每一根字線對應地存放一個m位二進制數(shù)碼，這個m位二進制數(shù)稱為一個字。通常把一個字中所含的位數(shù)稱為字長。位數(shù)可以1位、4位、8位、16位和32位等。把8位數(shù)的字稱為一個字節(jié)。4位為半個字節(jié)，16位稱為兩個字節(jié)。把輸出位數(shù)的線稱為位線。存儲器中總的存儲單元的數(shù)量稱為存儲容量，存儲容量用字線數(shù)×位線數(shù)表示。5.1.1只讀存儲器的結構與分類分類ROM器件按制造工藝可分為：二極管、雙極型晶體管和MOS型ROM；按編程方式的不同，可分為掩膜編程的固定內容只讀存儲器和可編程二種，而可編程ROM又可分一次可編程ROM（PROM—ProgrammableROM）、紫外線擦除電信號可編程只讀存儲器EPROM（ErasableProgrammableROM）、電擦除、電編程只讀存儲器EEPROM或E2PROM（ElectricallyErasableProgrammableROM）。

5.1.2固定內容的只讀存儲器（ROM）二極管ROM輸出高電平有效0000011001導通導通截止5.1.2固定內容的只讀存儲器（ROM）二極管ROM輸出高電平有效1000100111截止截止導通5.1.2固定內容的只讀存儲器（ROM）二極管ROM輸出高電平有效0101001110截止導通截止5.1.2固定內容的只讀存儲器（ROM）二極管ROM輸出高電平有效1110000101導通截止截止5.1.2固定內容的只讀存儲器（ROM）ROM陣列示意圖

字線和位線的每一個交叉處就是一個存儲單元，交叉處接有二極管（或MOS管、晶體管）的，存儲單元內存入1，沒有接二極管（或MOS管、晶體管）的，存儲單元內存入0。代表二極管（或MOS管、晶體管），表示存儲1沒有圓點的表示存儲05.1.3可編程只讀存儲器（PROM）PROM產品在出廠時，所有的存儲單元均為1（或０），用戶可以根據需要將其中的某些單元寫入數(shù)據0（或寫入1），以實現(xiàn)對其“編程”的目的。PROM只允許寫入一次，所以也被稱為“一次可編程只讀存儲器”(OneTimeProgrammingROM，OTP-ROM)。

特點：5.1.3可編程只讀存儲器（PROM）PROM每個存儲單元都串接了熔絲，每個晶體管的發(fā)射極都經過熔絲與位線相連，出廠時，熔絲都是接通的，亦即存儲的內容全為“1”，如果需要將某個存儲單元的內容改寫為“0”，只需給它加上比工作電流大得多的電流，使該單元的熔絲燒斷，其發(fā)射極和位線斷開，相當于存儲了“0”。PROM的存儲單元結構PROM的存儲單元結構5.1.3可編程只讀存儲器（PROM）PROM還有一種存儲單元是由兩個肖特基二極管反向串聯(lián)而成，出廠時，由于D1、D2反向串聯(lián)，字線與位線是斷開的，相當于全部存儲“0”，當需要將某個存儲單元的內容改寫為“1”時，只需加上高電壓，使二極管D1擊穿短路，字線與位線通過D2相連，相當于存儲了“1”。

PROM的存儲單元結構PROM的存儲單元結構5.1.4可擦寫只讀存儲器由用戶自己寫入信息，如果需要修改只要擦除原先存入的信息，再行重寫。1.紫外線擦除電信號編程只讀存儲器（EPROM）EPROM的特點：具有可擦除功能，即可將存儲器存儲的信息抹去，再寫入新的信息。它的存儲單元是一種特殊的浮柵MOS管，其作用相當于PROM中的熔絲，該產品出廠時浮柵上無電荷，相當于熔絲斷開，即存儲信息全為“0”，在專用編程器編程信號作用下，使浮柵中注入電荷，浮柵MOS管導通，相當于熔絲接通，存儲信息“1”。用強紫外線照射浮柵，可消除浮柵中的電荷，達到抹去存儲信息的目的。EPROM的優(yōu)點是存儲的信息可以多次改寫，但缺點是擦除需要使用紫外線照射一定的時間。

5.1.4可擦寫只讀存儲器由用戶自己寫入信息，如果需要修改只要擦除原先存入的信息，再行重寫。2.電擦除、電編程只讀存儲器（EEPROM）

EEPROM（E2PROM）的存儲結構和EPROM類似，只是它的浮柵上增加了一個隧道二極管，利用它，在編程信號的作用下，可向浮柵注入電荷和消除電荷，即可直接用電信號寫入，也可用電信號擦除。EEPROM的存儲單元可邊擦除便改寫，一次完成，速度比EPROM快很多，數(shù)據寫入后，可保持十年以上。

5.1.4可擦寫只讀存儲器2864AE2PROM管腳排列圖工作方式I/O0~I/O7讀出001輸出寫入010輸入維持1××高阻數(shù)據查詢001輸出當寫入時，只需置=0，=0，

=1，加入地址碼和存入數(shù)碼即可。讀出時置=0，=0，=1，可輸出對應地址碼的存儲數(shù)據。CE5.2隨機存取存儲器（RAM）知識分布網絡隨機存儲器RAMRAM電路結構RAM工作原理5.2隨機存取存儲器（RAM）隨機存儲器的特點：RAM用來存放一些臨時性的數(shù)據或中間結果RAM可以在任意時刻、對任意選中的存儲單元存入（寫）信息或取出（讀）信息，讀寫非常方便RAM存儲的內容在斷電后全部丟失，不能保存，即具有易失性。

RAM主要由地址譯碼器、存儲矩陣、讀/寫控制電路等部分組成，是大規(guī)模的時序邏輯電路。RAM分類靜態(tài)RAM(即StaticRAM，簡稱SRAM)動態(tài)RAM(即DynamicRAM，簡稱DRAM)5.2.1RAM的結構地址譯碼器用以決定訪問哪個字單元讀/寫控制電路用以決定對被選中的單元是讀還是寫存儲矩陣是由大量寄存器構成的矩陣，用來存儲數(shù)字信息。片選端用以決定芯片是否工作；5.2.1RAM的結構地址譯碼器用以決定訪問哪個字單元，地址譯碼器由行地址譯碼器和列地址譯碼器組成。行、列地址譯碼器的輸出即為行（又稱字線）、列（又稱位線）選擇線，分別用X、Y表示，由它們共同確定欲選擇的地址單元。例如：256×4RAM存儲矩陣中，256個字需要8位地址碼A7～A0。其中高3位A7～A5用于列地址譯碼輸入，低5位A4～A0用于行地址譯碼輸入。A7～A0=00100010時，Y1=1、X2=1，選中X2和Y1交叉的字單元。

5.2.2存儲單元存儲單元是RAM中最小的存儲單位。它的基本作用是存儲一位二進制信息。六管靜態(tài)存儲單元MOS管T1、T2為驅動管，T3、T4為負載管，相當于兩個電阻。由T1、T2、T3、T4組成一個基本RS觸發(fā)器，它能存儲一位二進制信息。T5、T6為門控管，相當于兩個開關，存儲單元通過它們和數(shù)據位線相連。T5、T6的柵極接到同一個字選擇線上，以控制存儲單元是否被選中。

在存儲單元被選中時，字線X為高電位，門控管T5、T6導通，觸發(fā)器與位線接通，即點與位線相通，Q點與位線D相通。此時可通過位線對該單元寫入或讀出操作了5.2.2存儲單元六管靜態(tài)存儲單元寫入時，若要將“1”寫入該存儲單元，則需將線加低電位，D線加高電位。D的高電位通過T6加至Q點，使T1導通，的低電位通過T5加至點，使T2管截止，Q=1，=0，“1”就被寫入該存儲單元。若要寫入“0”，則在線加高電位，D線加低電位即可。

讀出時，因選中的存儲單元上T5、T6導通，若原存信息為“1”，即T1導通、T2截止，則Q點的高電位送D線，而的低電位送線，經讀出放大器放大后，輸出信息“1”。若原存信息為“0”，則線為高電位，D線為低電位，經讀出放大器后輸出為“0”。5.2.2存儲單元四管動態(tài)存儲單元動態(tài)存儲單元是利用MOS管的柵極輸入電阻很高，漏電流很小，柵極電容的電荷存儲效應存儲信息的。四管動態(tài)存儲單元利用T1和T2管的柵極與襯底間的電容C1、C2上所存電荷的狀態(tài)來存儲二進制信息。當C1充電至高電位時，C2上沒有電荷，則T1導通，T2截止，此時，=0，Q=1。即存儲單元處于“1”狀態(tài)，存儲了“1”信息。反之，C2充電到高電位，C1上沒有電荷，則T2導通，T1截止，存儲單元處于“0”狀態(tài)，存儲了“0”信息。

5.2.2存儲單元四管動態(tài)存儲單元寫入時，X線為高電位，T5、T6管導通，這時Q點和點分別與兩條位線連通。若要寫“0”，則在D線上加低電位，線上加高電位。這樣，線上的高電位通過T5對C2充電，使點成為高電平，而C1經T6向D線放電，使Q點變?yōu)闉榈碗娢?，于是，實現(xiàn)了寫“0”操作。需要寫“1”時，只要使X線為高電位，同時D線上加高電位，線上加低電位，即可。當字線的狀態(tài)恢復到低電位時，寫入的狀態(tài)被記憶。5.2.2存儲單元四管動態(tài)存儲單元讀出時，首先加預充脈沖，電源VDD經預充管向位線上的分布電容、充電，使位線和D都沖電到VDD值，預充結束之后，位線和D與電源VDD斷開，因、沒有放電回路，位線和D的高電位可維持一定的時間。

當字線X加高電位信號，T5、T6管導通，存儲單元被選中。假定該存儲單元原存信息為“1”，即Q=1而=0，此時T1導通，T2截止，則經T5、T1到地放電，線變?yōu)榈碗娢?；而沒有放電通道，位線D仍為高電位；若該存儲單元原存信息為“0”，即Q=0而=1，此時T1截止，T2導通，則經T6和T2到地放電，D線變?yōu)榈碗娢?；而沒有放電通道，位線仍為高電位。5.2.2存儲單元動態(tài)存儲單元中，信息是以電荷形式存儲在T1或T2管的柵極電容上。由于電容存在漏電流，電容上電荷將慢慢釋放，存儲的信息不能長期保存（一般為ms級），因此必須定時地給電容充電，以補充泄漏掉的電荷，這一過程稱為刷新（或再生）。讀出操作時，、可通過T5、T6管對C1或C2充電，因此讀出過程也是刷新過程，

5.2.2存儲單元單管動態(tài)存儲單元寫入數(shù)據時，字線X為高電位，T管導通，位線D上