ПЗУ. Принципы построения и

Микросхемы ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство, ROM - Read-Only Memory

Память, доступная только для чтения) представляют собой однократно программируемое устройство памяти, предназначенное для чтения информации (энергонезависимое).
Различают несколько типов ПЗУ:
ROM (Read-Only Memory, Постоянное Запоминающее Устройство, ПЗУ). Строятся на мультиплексорах или по масочной структуре (см. ниже). Программируются на заводе при производстве. Репрограммирование невозможно.
PROM (Programmable ROM, Программируемое ПЗУ, ППЗУ). В качестве элементов программирования используются специальные перемычки. Программирование заключается в разрушении или образовании перемычки. Также является однократным действием, однако, в отличие от ROM, его можно осуществить даже в домашних условиях.
EPROM (Erasable PROM, Стираемое ППЗУ, СППЗУ). Исторически явилось первым репрограммируемым ПЗУ. Технология основана на применении транзисторов с плавающим затвором. ПЗУ на основе EPROM требуют стирания старой конфигурации под воздействием
ультрафиолетового (УФ) излучения с извлечением ИМС из устройств и имеют ограничение числа циклов программировании из-за деградации свойств материалов под воздействием УФ излучения.
EEPROM (Electrically Erasable PROM, Электрически Стираемое ППЗУ, ЭС-ППЗУ). ППЗУ, очищаемое электрическими сигналами. Для обновления не требует извлечения микросхемы из устройства и допускает достаточно большое число циклов стирания.
FLASH (флэш-память). Технологически аналогична EEPROM, однако в ней используется блочный доступ к сохраняемым данным.
ROM. Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация, как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики и BIOS в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации можно построить на мультиплексорах (рис. 1).
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля).
Чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ, эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация, естественно, остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рис. 2.
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы - металлизации. Металлизация выполняется при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше, - это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в многомерную и тем самым существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Программирование ПЗУ производится на заводе – изготовителе.
PROM. Также разработаны программируемые ПЗУ. В этих микросхемах постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве микросхемы изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти логических единиц. В процессе программирования на выводы питания и выходы микросхемы подается повышенное питание. При этом если на выход микросхемы подается напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход микросхемы подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку будет протекать ток, который испарит эту перемычку, и при последующем считывании информации из этой ячейки будет считываться логический ноль. Программирование производится при помощи специального программатора.
Возможно также применение другой технологии создания PROM, когда перемычка образована трехслойным диэлектриком с чередованием слоев «оксид-нитрид-оксид». Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал между электродами. Величина тока, создаваемого импульсами программирования, влияет на диаметр проводящего канала, что позволяет управлять параметрами проводящей перемычки.

21 вопрос (Перепрограммируемые ПЗУ)

В перепрограммируемых ПЗУ, т.е. с изменяемым содержимым, на затворах матриц МОП-транзисторов длительное время могут храниться разряды, образующих заданный код. Все перепрограммируемые ПЗУ представляют собой МОП-приборы.

ПЗУ, программируемые маской. Самым простым видом ПЗУ является диодное ПЗУ (рис.3.41).

Рисунок 3.41 - Схема диодного ПЗУ

Выбор нужного слова производится подачей сигнала низкого уровня на соответствующую адресную шину А i . При этом диоды, соединяющие разрядные линии и выбранную адресную линию, имеют малое сопротивление, что обуславливает низкий уровень напряжения на соответствующих разрядных линиях. Если же диода в точке пересечения нет, то ток через резистор R не протекает и на выходе соответствующей разрядной линии Ш j устанавливается единичный сигнал. В ПЗУ (рис.3.41) записано восемь 3-разрядных кодов, соответствующих восьми двоичным числам от 000 до 111.

Кроме этого, матрица ПЗУ может быть построена и на МОП-транзисторах. С помощью маски для металлизации подключаются необходимые элементы.

В ПЗУ, программируемых пользователем, в отличие от ПЗУ, программируемых маской, информация может быть занесена пользователем с помощью специального пульта программирования. Применение ПЗУ такого типа целесообразно при небольшом числе БИС ПЗУ.

ПЗУ строятся на основе биполярных диодных матриц (рис.3.42) или матриц биполярных транзисторов аналогично матрице МОП-транзисторов в ПЗУ, программируемых маской. Работа ПЗУ обоих типов базируется на осаждении плавких вставок (ПВ) последовательно с переходами база-эмиттер биполярных транзисторов или p-n переходами диодов. ПВ представляет собой небольшой участок металлизации, который разрушается (расплавляется) при подаче импульса тока (обычно величиной 50-100 мкА и длительностью 2 мс). Как и в ПЗУ, программируемой маской, ошибки, допущенные при программировании ПЗУ рассматриваемого типа, исправить нельзя.

Рисунок 3.42 - Биполярная диодная матрица

Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) относятся к числу полупостоянных ЗУ, так как после стирания хранимой в ПЗУ информации возможно занесение в тот же накопитель новых данных. Существует два типа ППЗУ: на основе МОП-матриц и на основе ПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым (УФ) облучением кристалла.

22 вопрос (Назначение и типы Flash-памяти)

На сегодня производители выпускают накопители на флэш-памяти нескольких типов: это карты Compact Flash, SmartMedia, MultiMedia Card, SecureDigital Card, Memory Stick и

ATA Flash. Первыми накопителями на флэш-памяти, появившимися рынке, были карты ATA Flash. Эти накопители изготавливаются в виде стандартных карт PC Card. Помимо микросхем флэш-памяти в них устанавливается АТА-контроллер, и при работе они эмулируют обычный IDE-диск. Интерфейс этих карт параллельный. Карты ATA Flash не получили широкого распространения и в настоящее время используются крайне редко.

Compact Flash. Карты Compact Flash (CF) были предложены компанией SanDisk в качестве более компактной и удобной в работе альтернативы картам ATA Flash. Поэтому разработчики стандарта CF предусмотрели возможность работы этих карт как устройств PC Card или как IDE-устройств. В первом случае карты работают как обычные PC Card устройства и их интерфейс «превращается» в шину PC Card. Во втором - как жесткие IDE-диски и их интерфейс работает как АТА-шина.

Карты CF впервые появились в 1994 г. Все карты этого типа имеют 50-контактный параллельный интерфейс. Кстати, существуют карты CF двух типов - Туре I и Туре II. Карты типа Туре II на два миллиметра толще и появились только потому, что раньше корпуса карт Туре I не позволяли разместить внутри флэш-память большого объема для изготовления вместительных носителей CF. В настоящее время такой необходимости нет и карты Туре II постепенно уходят с рынка. Отметим, что в накопители для карт Туре II можно устанавливать карты Туре I, тогда как обратное невозможно.

Среди флэш-карт бесспорным лидером по производительности была CF-карта Transcend Ultra Performance 25x CompactFlash 256 Мбайт, которую можно по праву считать эталоном скорострельности современных флэш-накопителей. Скорость последовательной/случайной записи у этой флэш-карты достигает 3.6/0.8 Мбайт/с, скорость чтения - 4,0/3,7 Мбайт/с.

Скорость работы CF-карт замедляется с увеличением объема, что хорошо видно на примере флэш-карт SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт. Двукратный рост емкости приводит к снижению производительности на 30%. за исключением скорости случайной записи, которая выросла в 2.5 раза, - это выглядит довольно странно и неожиданно.

Скоростные характеристики CF-карт так же сильно зависят от производителя. У Kingston CompactFlash 256 Мбайт - низкая скорость записи (последовательная/случайная запись - 1.4/0.3 Мбайт/с), но по скорости чтения она была лидером (4.4/3,8 Мбайт/с). Карта PQI Hi-Speed Compact Flash 256 Мбайт продемонстрировала среднюю производительность в обоих случаях: запись - 2.1/0.7 Мбайт/с, чтение - 3.8/3,3 Мбайт/с. Карты SanDisk CompactFlash 256 Мбайт и SanDisk CompactFlash 512 Мбайт работали очень медленно: запись - 1,1/0,2 и 0,9/0,5 Мбайт/с, чтение - 2,3/2,1 и 1,8/1,7 Мбайт/с. А карта Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт записывала и считывала данные одинаково хорошо.

Если сравнивать CF-карты с накопителями других типов, то окажется, что флэш-память - совсем на такая медленная, как это принято считать! По производительности самые быстрые образцы флэш-памяти (в качестве эталона возьмем карту Transcend Ultra Performance 25х CompactFlash 256 Мбайт) сравнимы с Iomega Zip 750 Мбайт, а по скорости последовательной записи даже обгоняют этот накопитель более чем в 1,5 раза! По скорости последовательной записи флэш-память обгоняет диски CD-RW в 2 раза, по скорости последовательного чтения - на 10%! Флэш-память выигрывает у МО-дисков по скорости последовательной записи - в 2 раза - и случайного чтения - на 10%, однако отстает по скорости последовательного чтения и случайной записи - на 20%. Флэш-память отстает по скорости последовательной записи от DVD-дисков (при «прожигании» в режиме 4х) - в 1,4 раза.

Отметим, что если CF-карта используется в цифровой фотокамере, то для нее в первую очередь важна скорость последовательной записи - чем она выше, тем быстрее фотокамера вернется в рабочее состояние после «захвата» кадра и «сброса» его на флэш-карту. Впрочем, скорость чтения CF-карты в этом случае тоже важна, правда, не так критична - чем быстрее считываются данные, тем быстрее будет работать фотокамера в режиме просмотра отснятого материала.

SmartMedia. Конструкция карт SmartMedia (SM) чрезвычайно проста. В карте SM нет встроенного контроллера интерфейса и по сути - это одна или две микросхемы флэш-памяти, «упакованные» в пластиковый кожух. Стандарт SM был разработан компаниями Toshiba и Samsung в 1995 г. Интерфейс карт SM - параллельный, 22-контактный, но из них для передачи данных используется только восемь линий.

MultiMedia Card. Карты Multi-Media Card (MMC) имеют 7-контактный последовательный интерфейс, который может работать на частоте до 20 МГц. Внутри пластикового корпуса карты размещается микросхема флэш-памяти и контроллер ММС-интерфейса. Стандарт ММС предложен в 1997 г. компаниями Hitachi, SanDisk и Siemens.

SecureDigital Card. SecureDigi-tal Card (SD) - самый молодой стандарт флэш-карт: он был разработан в 2000 г. компаниями Matsushita, SanDisk и Toshiba. Фактически SD - это дальнейшее развитие стандарта ММС, поэтому карты ММС можно устанавливать в накопители SD (обратное будет неверным). Интерфейс SD - 9-контактный, последовательно-параллельный (данные могут передаваться по одной, двум или четырем линиям одновременно), работает на частоте до 25 МГц. Карты SD оснащаются переключателем для защиты их содержимого от записи (стандартом также предусмотрена модификация без такого переключателя).

USB-флэш-память. USB-флэш-память (USB-память) - совершенно новый тип носителей на флэш-памяти, появившийся на рынке в 2001 г. По форме USB-память напоминает брелок продолговатой формы, состоящий из двух половинок - защитного колпачка и собственно накопителя с USB-разъемом (внутри него размещаются одна или две микросхемы флэш-памяти и USB-контроллер).

Работать с USB-памятью очень удобно - для этого не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно иметь под рукой ПК под управлением Windows с незанятым USB-портом, чтобы за пару минут «добраться» до содержимого этого накопителя. В худшем случае вам придется установить драйверы USB-памяти, в лучшем - новое USB-уст-ройство и логический диск появятся в системе автоматически. Возможно, что в будущем USB-память станет основным типом устройств для хранения и переноса небольших объемов данных.

Что же касается USB-флэш-памяти, то это, несомненно, более удобное решение для переноса данных, чем флэш-карты, - не требуется дополнительный флэш-накопитель. Однако производительность протестированных накопителей этого типа - Transcend JetFlash 256 Мбайт и Transcend JetFlashA 256 Мбайт - ограничивалась низкой пропускной способностью интерфейса USB 1.1. поэтому их показатели в тестах на скорость работы были довольно скромными. Если USB-флэш-память оснастить быстрым интерфейсом USB 2.0, то по «скорострельности» эти накопители, конечно, не уступят лучшим флэш-картам.

Интересно отметить, что по скорости последовательной записи флэш-память превосходит Iomega Zip 750, диски CD-RW и МО-носители и уступает только DVD-дискам. Это лишний раз подчеркивает, что разработчики флэш-памяти в первую очередь стремились увеличить скорость последовательной записи, поскольку флэш-память изначально предназначена для использования в цифровых фотокамерах, где прежде всего важен этот показатель.

В итоге можно заключить, что флэш-память - бесспорный лидер по надежности, мобильности и энергопотреблению среди накопителей небольшой и средней емкости, обладающий к тому же неплохим быстродействием и достаточным объемом (на сегодня на рынке уже доступны флэш-карты емкостью до 2 Гбайт). Несомненно, это очень перспективный тип, однако их широкое использование пока сдерживается высокими ценами.

23 вопрос (Программное обеспечение ПЗУ IBM PC. Программы POST, Boot Loader)

загрузочные устройства (IBM PC)

Загрузочное устройство это устройство, с которого загружается операционная система. Современные BIOS компьютер поддерживает загрузку с различных устройств, как правило, местные жесткий диск (или одной из нескольких разделах на таком диске), оптических дисков, устройств USB (флэш-диск, жесткий диск, оптический привод диска и т.д.), или карта сетевого интерфейса (с использованием PXE). Раньше, менее распространенными загрузочными устройствами включать дисководы гибких дисков, SCSI устройствах, Zip дисков, и LS-120 дисков.

Как правило, BIOS позволяет пользователю настроить порядок загрузки. Если порядок загрузки установлен в положение "Во-первых, привод DVD-вторых, жесткий диск", то BIOS будет пытаться загрузить с диска DVD, и если это не удается (например, из-за отсутствия DVD в привод), она будет пытаться загрузиться с локального жесткого диска.

Например, на компьютере с Windows XP, установленной на жесткий диск, пользователь может установить порядок загрузки к приведенному выше, а затем вставить GNU / Linux Live CD, с тем чтобы попробовать Linux без необходимости устанавливать операционную систему на жесткий диск. Это является примером двойной загрузкой - пользователю выбор, какую операционную систему для запуска после того, как компьютер выполняет свою самотестирования. В этом примере двойной загрузкой, пользователь выбирает, вставляя или вынимая компакт-диск из компьютера, но он является более общим, чтобы выбрать, какую операционную систему для загрузки, выбрав из меню с помощью клавиатуры компьютера. (Обычно F11 или ESC

После запуска, персональный компьютер "S x86 процессор выполняет инструкцию находится в памяти CS: IP FFFF: 0000 в BIOS, который находится на 0xFFFF0 адрес. Эта память места близок к концу 1 Мбайт системной памяти доступна в реальном режиме. Обычно он содержит инструкцию, которая Перейти выполнение переводов на место BIOS запуске программы. Эта программа запускается при включении питания самотестирования (POST) для проверки и инициализации необходимых устройств. BIOS проходит через предварительно настроен список Non-Volatile устройств хранения информации ("Boot Device последовательность"), пока не обнаружит, что является загрузочным. Загрузочные устройства определяется как вывод, который можно читать, а последние два байта первого сектора содержать слова 0xAA55 (также известный как загрузочный подпись).

После того как нашла BIOS загрузочного устройства он загружает загрузочный сектор в шестнадцатеричный сегмента: офсетная адресу 0000:7 C00 или 07c0: 0000 (карты с тем же адресом Ultimate) и передает на исполнение загрузочного кода. В случае с жестким диском, это называется основной загрузочной записи (MBR) и часто не конкретной операционной системы. Код MBR обычной проверки таблицы разделов МБР для раздела, установить в качестве загрузочного (один с флагом активности) Если найден активный раздел, MBR код загружает кода загрузочного сектора от этого раздела и выполняет его. Загрузочный сектор часто операционная система конкретного, однако в большинстве операционных систем, его основная функция заключается в загрузке и исполнять операционную систему ядра, которое продолжается при запуске. Если нет активных разделов, или загрузочный сектор активного раздела является недействительным, MBR может загрузить вторичный загрузчик который будет выбрать раздел (нередко с помощью пользовательского ввода) и загружает загрузочный сектор, который обычно загружает соответствующие ядра операционной системы.

В некоторых системах (в частности, новых Макинтошей) использовать Intel "S собственного EFI. Также Coreboot позволяет компьютеру загрузиться без сверхсложных прошивка / BIOS Постоянно работает в режиме управления системой. Наследие 16-битный интерфейс BIOS требуются определенные x86 операционных систем, таких как Windows XP, Vista, и 7. Однако большинство загрузчиков имеют 16-битную поддержку для этих унаследованных системах BIOS.

В старых компьютерах Windows, особенно те, кто управлял Windows 9x, если чипов BIOS присутствует, то он может или не может показать экран подробные BIOS производитель чипов, авторские права состоялась производитель чипа и идентификатор чипа при запуске. В то же время, она также показывает объем доступной памяти компьютера и других частей кода Отображение информации о компьютере.

Типы ПЗУ

ПЗУ – расшифровывается как постоянное запоминающее устройство, обеспечивающее энергонезависимое хранение информации на каком-либо физическом носителе. По способу хранения информации ПЗУ можно разделить на три типа:

1. ПЗУ, основанные на магнитном принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении направления вектора намагниченности участков ферромагнетика под воздействием переменного магнитного поля в соответствии со значениями битов записываемой информации.

Ферромагнетик – вещество, способное при температуре ниже определенного порога (точки Кюри) обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля.

Считывание записываемых данных в таких устройствах основано на эффекте электромагнитной индукции или магниторезистивного эффекта. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты.

Электромагнитной индукцией называется эффект возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока проходящего через него.

Магниторезистивный эффект основан на изменении электрического сопротивления твердотельного проводника под действием внешнего магнитного поля.

Основное преимущество данного типа – большой объем хранимой информации и низкая стоимость единицы хранимой информации. Основной недостаток – наличие подвижных частей, большие габариты, низкая надежность и чувствительность к внешним воздействиям (вибрация, удары, перемещения и т.д.)

2. ПЗУ, основанные на оптическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на изменении оптических свойств участка носителя, например, за счет изменения степени прозрачности или коэффициента отражения. Примером ПЗУ, основанном на оптическом принципе хранения информации, могут служит CD -, DVD-, BluRay - диски.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – низкая стоимость носителя, удобство транспортирования и возможность тиражирования. Недостатки – низкая скорость чтения/записи, ограниченное количество перезаписей, потребность в считывающем устройстве.

3. ПЗУ, основанные на электрическом принципе хранения информации.

Принцип работы этих устройств основан на пороговых эффектах в полупроводниковых структурах – возможности хранения и регистрации наличия заряда в изолированной области.

Этот принцип используется в твердотельной памяти – памяти, не требующей использование подвижных частей для чтения/записи данных. Примером ПЗУ, основанном на электрическом принципе хранения информации, может служить flash – память.

Основное достоинство данного типа ПЗУ – высокая скорость чтения/записи, компактность, надежность, экономичность. Недостатки – ограниченное число перезаписи.

На данный момент существуют или находятся на этапе разработки и другие, «экзотические» типы постоянной памяти, такие как:

Магнитно-оптическая память – память, сочетающая свойства оптических и магнитных накопителей. Запись на такой диск осуществляется путем нагрева ячейки лазером до температуры около 200 о С. Разогретая ячейка теряет магнитный заряд. Далее ячейку можно остудить, что будет означать, что в ячейку записан логический ноль, либо зарядить заново магнитной головкой, что будет означать, что в ячейку записана логическая единица.

После охлаждения магнитный заряд ячейки изменить нельзя. Считывание производится лазерным лучом меньшей интенсивности. Если в ячейки содержится магнитный заряд, то лазерный луч поляризуется, а считывающее устройство определяет, является ли лазерный луч поляризованным. За счет «закрепления» магнитного заряда при охлаждении магнитно-оптические обладают высокой надежностью хранения информации и теоретически могут иметь плотность записи большую, чем ПЗУ основанное только на магнитном принципе хранения информации. Однако заменить «жесткие» диски они не могут из-за очень низкой скорости записи, обусловленную необходимостью высокого нагрева ячеек.

Широкого распространения магнитно-оптическая память не получила и используется очень редко.

Молекулярная память – память, основанная на технологии атомной туннельной микроскопии, позволяющей изымать или добавлять в молекулы отдельные атомы, наличие которых затем может считываться специальными чувствительными головками. Данная технология была представлена в середине 1999 года компанией Nanochip, и теоретически позволяла достичь плотности упаковки около 40 Гбит/см 2 , что в десятки раз превосходит существующие серийные образцы «Жестких» дисков, однако слишком низкая скорость записи и надёжность технологии не позволяет говорить о практическом использовании молекулярной памяти в обозримом будущем.

Голографическая память – отличается от существующих наиболее распространенных типов постоянной памяти, использующих для записи один или два поверхностных слоя, возможностью записывать данных по «всему» объему памяти с помощью различных углов наклона лазера. Наиболее вероятно применение такого типа памяти в ПЗУ на базе оптического хранения информации, где уже не в новинку оптические диски с несколькими информационными слоями.

Существуют и другие, совсем уж экзотические типы постоянной памяти, но они даже в лабораторных условиях балансируют на грани научной фантастики, поэтому упоминать о них не буду, поживем – увидим.

Основные положения.

Память в микропроцессорной системе выполняет функцию хранения данных. Различные типы памяти предназначены для хранения различных типов данных. Подробнее это будет рассмотрено ниже.

Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов которых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми. Это связано с тем, что байт является восьмиразрядной единицей измерения. Поэтому объём памяти чаще всего измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти.

Допустимое количество ячеек памяти определяется количеством разрядов шины адреса как 2N, где N - количество разрядов шины адреса.

Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт - 210=1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт – 220=1 048 576 байт (обозначается Мбайт), гигабайт - 230 байт (обозначается Гбайт), терабайт - 240 (обозначается Тбайт). Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памятисистемы.

Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 8.1). Для подключения модуля памяти к системной магистрали используются блоки сопряжения, которые включают в себя дешифратор (селектор) адреса, схему обработки управляющих сигналов магистрали и буферы данных (рис. 2.18).

Обычно в составе системы имеется несколько модулей памяти, каждый из которых работает в своей области пространства памяти. Селектор адреса как раз и определяет, какая область адресов пространства памяти отведена данному модулю памяти. Схема управления вырабатывает в нужные моменты сигналы разрешения работы памяти (CS – Chip Select) и сигналы разрешения записи в память (WR — Write-Read). Буферы данных передают данные от памяти к магистрали или от магистрали к памяти. В пространстве памяти микропроцессорной системы обычно выделяются несколько особых областей, которые выполняют специальные функции.

Классификация модулей памяти.

Классификация памяти необходима для более чёткого понимания того, для чего та или иная память будет использоваться.

Прежде всего, память делится на две основные подгруппы: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Постоянным запоминающим устройством называют энергонезависимую память, т.е. память, не зависящую от наличия напряжения питания на устройстве. В таком устройстве информация может храниться длительное время без подключения его к источнику питания.

Данный тип памяти предназначен для хранения информации, которая не должна быть уничтожена при пропадании питания на устройстве. К таким данным можно отнести программу для микроконтроллера, данные о настройке этой программы, различные файлы. К файлам могут относиться графические изображения, данные, снятые с датчиков и т.д.

Существует множество различных реализаций ПЗУ. В микроконтроллерах наибольшую популярность получили две технологии. Это – EEPROM (Electronically Erasable Programmable ROM – электрически стираемая программируемая энергонезависимая память) и flash (Flash Erase EEPROM).

EEPROM была разработана в 1979 году фирмой Intel. Эта память имеет возможность перепрограммирования при подключении её к стандартной шине процессора. Причём стирание любой ячейки памяти происходит автоматически при записи в неё новых данных. Т.о. в этом типе памяти существует возможность изменить информацию в одной ячейке без затрагивания соседних ячеек.

Flash память является дальнейшим развитием EEPROM. В ней используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-транзистора. И другая организация доступа к ячейкам памяти. В результате чего доступ к ячейкам стал быстрее. Но стирание в flash памяти производится только для определённого блока данных, либо для всей микросхемы в целом. Стереть один элемент в ней невозможно. А так как запись в этом типе микросхемы (для типа памяти NAND) производится поэлементным «И» текущего состояния ячейки с данными которые надо записать, то верные данные будут записаны в ячейку только в том случае, если в ней будут записаны только одни единицы. Установить в ячейке единицу можно только функцией стирания. Никакой записью данных этого сделать нельзя. Следовательно, для того, чтобы записать данные в одну ячейку памяти, надо скопировать в стороннюю память весь блок, который будет стёрт, стереть его. В памяти поменять значение нужной ячейки и уже изменённый блок записать обратно.

Как можно видеть работа с отдельными ячейками данных медленная из-за необходимости каждый раз копировать и стирать целый блок данных. Но работа сразу со всем блоком на много быстрее чем в EEPROM.

Т.о. во Flash имеет смысл хранить информацию, которая будет изменяться редко (или никогда). А в EEPROM можно записывать настройки программы, которые должны сохраниться после отключения устройства от питания.

Flash память бывает двух типов – это NOR и NAND. NOR (Not OR) имеет быстрый произвольный доступ к ячейкам памяти и возможность побайтовой записи. NAND (Not AND) позволяет производить быструю запись и стирание данных, но имеет несколько большее время произвольного доступа к данным по сравнению с NOR.

Исходя из особенностей структур памяти, NAND обычно используется для хранения информации, считываемой потоком, такой как видео, музыка и т.д. NOR же используется для хранения программы, благодаря высокой скорости чтения произвольного байта данных.

ПЗУ имеет относительно низкое быстродействие и не может быть использован для хранения информации, к которой нужен быстрый доступ, такой как переменные.

Память программы начального запускавсегда выполняется на ПЗУ. Именно с этой области процессор начинает работу после включения питания и после сброса его с помощью сигнала RESET. При наличии у микроконтроллера нескольких типов ПЗУ, зачастую существует выбор с какой из них стартовать программу. Для этого наружу выводится несколько ножек, комбинация сигналов на которых идентифицирует ту или иную ПЗУ.

Адресация в NAND.

Для примера работы с ПЗУ рассмотрим организацию памяти и обращение к ней на примере микросхемы памяти NAND.

Структура памяти NAND представлена на рис 8.2.

Память в микросхеме делится на блоки, которые в свою очередь делятся на страницы, состоящие из байт. Т.о. для полной адресации байта памяти требуется знать номер блока, номер страницы и сам адрес байта в этой странице.

Общая ёмкость памяти в этом случае равна произведению ёмкости страницы на количество страниц в блоке и на количество блоков в микросхеме памяти. Если у нас, как показано на рис 8.2, микросхема состоит из 2000 блоков, содержащих 128 страниц каждый. В странице содержится 8192 байта памяти. В итоге получаем: 8192*128*2000 = 2 Гбайта памяти. Обычно размер памяти указывают в битах. Т.е. размер рассматриваемой микросхемы составляет 16Гбит, что и будет указано у неё в документации.

Соответственно, для получения одного байта информации на выводе R/W, отвечающем за чтение запись, устанавливается сигнал, говорящий, что будет чтение. Отправляется команда запроса на чтение байта данных. Затем формируется пакет вида, как показано на рис 8.3.

В этом пакете А13-А0 – это адрес байта в странице, А20-А14 – это номер страницы, А32-А21 – это номер блока.

В ответ на этот запрос микросхема должна выдать запрошенный байт. При этом, если требуется считать несколько байт подряд, то достаточно просто продолжать считывать данные, не обновляя адрес. Микросхема автоматически увеличивает адрес на единицу при каждом чтении. Т.е. при использовании данной микросхемы выгодно читать данные сразу страницами (в нашем примере по 8192 байта).

Статьи к прочтению:

ПЗУ — Постоянное Запоминающее Устройство

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новгородский Государственный университет им. Я. Мудрого

Реферат

На тему «Постоянные запоминающие устройства. Основные характеристики, область применения»

Выполнила: студентка 1 курса гр. 5261

Бронина Ксения

Проверила: Архипова Гелиря Асхатовна

Великий Новгород, 2016 г

1. Понятие постоянного запоминающего устройства

1.1 Основные характеристики ПЗУ

1.2 Классификация ПЗУ

1.2.1 По типу исполнения

1.2.2 По разновидностям микросхем ПЗУ

1.2.3 По способу программирования микросхем (записи в них прошивки)

2. Применение

3. Исторические типы ПЗУ

Литература

1. Понятие постоянного запоминающего устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM-- Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

К постоянной памяти относят постоянное запоминающее устройство, ПЗУ (в англоязычной литературе - Read Only Memory, ROM, что дословно переводится как "память только для чтения"), перепрограммируемое ПЗУ, ППЗУ (в англоязычной литературе - Programmable Read Only Memory, PROM), и флэш-память (flash memory). Название ПЗУ говорит само за себя. Информация в ПЗУ записывается на заводе-изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будет невозможно удалить до следующей операции стирания информации.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора и в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

§ микросхемы, программируемые только при изготовлении, -- классические или масочные ПЗУ или ROM;

§ микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях, -- программируемые ПЗУ (ППЗУ), или programmable ROM (PROM);

§ микросхемы, программируемые многократно, -- перепрограммируемые ПЗУ или erasable PROM (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флеш-память.

1.1 Основные характеристики ПЗУ

Данные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранятся постоянно. Данные, хранящиеся постоянно, называются энергонезависимыми, что означает, что они сохраняются в ПЗУ даже при выключении питания. Как только данные записаны в ПЗУ, они могут считываться другими устройствами, но новые данные быть записаны в ПЗУ не могут.

ПЗУ наиболее широко используется для хранения так называемой “программы монитора”. Программа монитора это машинная программа, позволяющая пользователю микрокомпьютерной системы просматривать и изменять все функции системы, включая память. Другим широким применением ПЗУ является хранение фиксированных таблиц данных, таких как математические функции, которые никогда не меняются.

Цифровыми компьютерными системами широко используются четыре типа ПЗУ: ПЗУ с масочным программированием, программируемое ПЗУ (ППЗУ), стираемое программируемое ПЗУ (СППЗУ) и электрически программируемое ПЗУ (ЭППЗУ).

1.2 Классификация ПЗУ

1.2.1 По типу исполнения

Массив данных совмещён с устройством выборки (считывающим устройством), в этом случае массив данных часто в разговоре называется «прошивка»:

§ микросхема ПЗУ;

§ Один из внутренних ресурсов однокристальной микро ЭВМ (микроконтроллера), как правило FlashROM.

Массив данных существует самостоятельно :

§ компакт-диск;

§ перфокарта;

§ перфолента;

§ штрих-коды;

§ монтажные «1» и монтажные «0».

1.2.2 По разновидностям микросхем ПЗУ

По технологии изготовления кристалла:

§ RO M англ. read-only memory - постоянное запоминающее устройство, масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

Рисунок 1. Масочное ПЗУ

§ PRO M англ. programmable read-only memory -- программируемое ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.

Рисунок 2. Программируемое ПЗУ

§ EPROM англ. erasable programmable read-only memory - перепрограммируемое/репрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ/РПЗУ)). Например, содержимое микросхемы К573РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.

Рисунок 3. Перепрограммируемое ПЗУ

§ EEPROM англ. electrically erasable programmable read-only memory - электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память (англ. flash memory).

Рисунок 4. Стираемое ПЗУ

§ ПЗУ на магнитных доменах, например К1602РЦ5, имело сложное устройство выборки и хранило довольно большой объём данных в виде намагниченных областей кристалла, при этом не имея движущихся частей (см. Компьютерная память). Обеспечивалось неограниченное количество циклов перезаписи.

§ NVRAM, non-volatile memory -- «неразрушающаяся» память, строго говоря, не является ПЗУ. Это ОЗУ небольшого объёма, конструктивно совмещённое с батарейкой. В СССР такие устройства часто назывались «Dallas» по имени фирмы, выпустившей их на рынок. В NVRAM современных ЭВМ батарейка уже конструктивно не связана с ОЗУ и может быть заменена.

По виду доступа :

§ С параллельным доступом (parallel mode или random access): такое ПЗУ может быть доступно в системе в адресном пространстве ОЗУ. Например, К573РФ5;

§ С последовательным доступом: такие ПЗУ часто используются для однократной загрузки констант или прошивки в процессор или ПЛИС, используются для хранения настроек каналов телевизора, и др. Например, 93С46, AT17LV512A.

1.2.3 По способу программирования микросхем (записи в них прошивки)

§ Непрограммируемые ПЗУ;

§ ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства -- программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы.

§ Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) -- такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом.

запоминающий микросхема программирование моноскоп

2. Применение

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером (BIOS или OpenBoot на машинах SPARC).

BootROM -- прошивка, такая, что если её записать в подходящую микросхему ПЗУ, установленную в сетевой карте, то становится возможна загрузка операционной системы на компьютер с удалённого узла локальной сети. Для встроенных в ЭВМ сетевых плат BootROM можно активировать через BIOS.

ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF

3. Исторические типы ПЗУ

Постоянные запоминающие устройства стали находить применение в технике задолго до появления ЭВМ и электронных приборов. В частности, одним из первых типов ПЗУ был кулачковый валик, применявшийся в шарманках, музыкальных шкатулках, часах с боем.

С развитием электронной техники и ЭВМ возникла необходимость в быстродействующих ПЗУ. В эпоху вакуумной электроники находили применение ПЗУ на основе потенциалоскопов, моноскопов, лучевых ламп. В ЭВМ на базе транзисторов в качестве ПЗУ небольшой ёмкости широко использовались штепсельные матрицы. При необходимости хранения больших объёмов данных (для ЭВМ первых поколений -- несколько десятков килобайт) применялись ПЗУ на базе ферритовых колец (не следует путать их с похожими типами ОЗУ). Именно от этих типов ПЗУ и берёт своё начало термин «прошивка» -- логическое состояние ячейки задавалось направлением навивки провода, охватывающего кольцо. Поскольку тонкий провод требовалось протягивать через цепочку ферритовых колец для выполнения этой операции применялись металлические иглы, аналогичные швейным. Да и сама операция наполнения ПЗУ информацией напоминала процесс шитья.

Литература

Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника БХВ-Петербург (2005) Глава 5.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Иерархия запоминающих устройств ЭВМ. Микросхемы и системы памяти. Оперативные запоминающие устройства. Принцип работы запоминающего устройства. Предельно допустимые режимы эксплуатации. Увеличение объема памяти, разрядности и числа хранимых слов.

курсовая работа , добавлен 14.12.2012


Запоминающие устройства: винчестеры, дискеты,стримеры, флэш-карты памяти, MO-накопители, оптические: CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW, и новейшие запоминающие устройства. Информацию необходимо сохранять на носителях, не зависящих от наличия напряжения.

реферат , добавлен 01.03.2006


Понятие информации, ее измерение, количество и качество информации. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Организация и средства человеко-машинного интерфейса, мультисреды и гиперсред. Электронные таблицы.

отчет по практике , добавлен 09.09.2014


Проектирование программатора микросхем AT17C010, обоснование режимов функционирования узлов микроконтроллера, аппаратных средств, достаточности программных ресурсов. Принципиальная схема устройства, рекомендации по разработке диагностических средств.

курсовая работа , добавлен 19.12.2010


Проектирование элементов микросхем ПЗУ и ОЗУ с помощью приложения MS Visio 2010. Деление и расширение адресного пространства. Расчет дополнительного оперативного запоминающего устройства и проверка компонентов системы на электрическое взаимодействие.

курсовая работа , добавлен 08.11.2014


Запоминающие устройства компьютера. Создание системы памяти. Характеристика микросхем динамических запоминающих устройств. Выполнение арифметических, логических или служебных операций. Ярусно-параллельная форма алгоритма. Степень и уровни параллелизма.

презентация , добавлен 28.03.2015


Микропроцессорный комплект cерии КР580 - набор микросхем. Основные элементы КР580ВМ80А - 8-разрядный микропроцессора, полный аналог микропроцессора Intel i8080. Применение микропроцессоров в игровых автоматах. Версии выпуска микросхем, и их применение.

реферат , добавлен 18.02.2010


Cравнение двух важнейших характеристик - емкость памяти и ее быстродействие. Регистры общего назначения. Функции оперативного запоминающего устройства. Наиболее распространенная форма внешней памяти - жесткий диск. Три основных типа оптических носителей.

реферат , добавлен 15.01.2015


Основные составляющие системного блока. Назначение материнской платы. Базовая система ввода-вывода – Bios. Понятие периферийного устройства. Запоминающие устройства и их виды. Открытая архитектура в устройстве ПК. Устройства для ввода и вывода данных.

реферат , добавлен 18.12.2009


Расчет статического модуля оперативной памяти и накопителя. Построение принципиальной схемы и временной диаграммы модуля оперативного запоминающего устройства. Проектирование арифметико-логического устройства для деления чисел с фиксированной точкой.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, например, таблиц, программ, каких-либо констант. Информация в ПЗУ хранится при отключенном источнике питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми микросхемами памяти и работают только в режиме многократного считывания информации.

По способу занесения информации в ПЗУ (программирования) их делят на 3 группы:

§ Однократно программируемые изготовителем, называемые масочными (заказными) или сокращенно ПЗУМ, а по буржуйски ROM.

§ Однократно программируемые пользователем (обычно способом пережигания плавких перемычек на кристалле) или ППЗУ, а по буржуйски PROM.

§ Многократно программируемые пользователем (репрограммируемые) или РПЗУ. По-буржуйски EPROM.

В однократно программируемых ПЗУ вместо элемента памяти, как в ОЗУ, ставится перемычка между шинами в виде пленочных проводников, диодов, транзисторов. Наличие перемычки соответствует лог. 1, ее отсутствие - лог. 0 или наоборот. Процесс программирования таких ПЗУ заключается в пережигании ненужных перемычек и поэтому в дальнейшем ПЗУ такого рода программировать нельзя.

Репрограммируемое ПЗУ

Репрограммируемые ПЗУ разделяются на два класса:

§ С режимом записи и стирания электрическим сигналом.

§ С режимом записи электрическим сигналом и стиранием ультрафиолетовым излучением.

Микросхемы РПЗУ допускают возможность многократного программирования (от сотен до тысяч циклов), способны сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, требуют значительного времени на перепрограммирование (что исключает возможность использовать в качестве ОЗУ), имеют сравнительно большое время считывания.

Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором или ЛИЗМОП - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда. Эти транзисторы под воздействием программирующего напряжения способны записать электрический заряд под затвором и сохранять его много тысяч часов без напряжения питания. Для того, чтобы перепрограммировать такое ПЗУ необходимо сначала стереть записанную ранее информацию. В РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производится электрическим сигналом, который вытесняет накопленный под затвором заряд. В РПЗУ на ЛИЗМОП транзисторах стирание записанной информации происходит под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое облучает кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы.

РПЗУ со стиранием УФ излучением имеют ряд недостатков, по сравнению с РПЗУ со стиранием электрическим сигналом. Так, например, для стирания информации УФ необходимо вынимать микросхему из контактных устройств (панелек), что не совсем удобно. К тому же, наличие окна в корпусе обуславливает чувствительность микросхемы РПЗУ к свету, что увеличивает вероятность случайного стирания информации. Да и число циклов перепрограммирования всего лишь нескольких десятков, когда у РПЗУ со стиранием электрическим сигналом это же число достигает 10000.

Элементы памяти ПЗУ (РПЗУ).

Основное требование к такой ячейке – сохранение информации при отключенном питании. Рассмотрим схему однотранзисторной ЗЯ для биполярного ПЗУ.

В эмиттерной цепи транзистора предусмотрена плавкая перемычка (П), которая в необходимых случаях может разрушаться при первоначальном программировании.

При обращении к ЗЯ по адресной линии в случае неразрушенной перемычки в РЛ будет протекать эмитерный ток транзистора. В случае разрушенной перемычки ток протекать не будет.

Элемент памяти ПЗУ может быть выполнен и на МОП-транзисторах. Однако биполярные ПЗУ имеют более высокое быстродействие (время обращения 20…60 нс), но и большую рассеиваемую мощность, чем ПЗУ на МОП-транзисторах (время обращения 200…600 нс).

Репрограммируемые ПЗУ в настоящее время выполняются двух типов. В РПЗУ первого типа матрица элементов памяти изготавливается аналогично матрице ПЗУ на основе МОП-транзисторов, но у которых между металлическим затвором и слоем изолирующего окисла осаждается тонкий слой нитрида кремния (МНОП-транзисторы). Нитрид кремния способен захватывать и сохранять длительное время (до 10 лет и более) электрический заряд. В исходном состоянии транзистор имеет высокое напряжение открывания (10…15)В, которое понижается до рабочих уровней после зарядки слоя нитрида кремния. Чтобы зарядить слой нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора подается высоковольтный программирующий импульс, по амплитуде в несколько раз превышающий рабочие уровни напряжений (15…20)В. При подаче сигнала на адресную линию, подключенную к затворам транзисторов, происходит открывание только заряженных транзисторов. Таким образом, наличие заряда приводит к тому, что ЭП хранит 0, а его отсутствие – 1.

Для стирания записанной информации, т.е. удаления заряда захваченного слоем нитрида кремния, на затвор МНОП-транзистора необходимо подать импульс напряжения противоположный, чем при записи полярности.

Другие варианты ЭП РПЗУ выполняются на МНОП-транзисторах плавающим (изолированным) затвором. Подача высокого напряжения между истоком и стоком вызывает накопление в плавающем затворе заряда, создающего проводящий канал между стоком и истоком. Стирание информации осуществляется облучением транзисторов через кварцевое окно ультрафиолетовым излучением, которое разряжает затворы транзисторов и переводит их в непроводящее состояние.

Стирание информации таким способом имеет ряд очевидных недостатков, которые отсутствуют при электрическом стирании. Для этого в транзисторе выполняется второй управляющий затвор. Однако, ввиду большой площади ЭП, микросхемы РПЗУ с электрическим стиранием имеют в 2…4 раза меньшую информационную емкость, чем микросхемы со стиранием ультрафиолетовым светом.

Вопрос

Аналоговая схемотехника

Несмотря на все достижения цифровой вычислительной техники, в ряде случаев оказывается рационально производить математические вычисления с аналоговыми сигналами в аналоговом виде. Особенно если в окончательном виде необходимо получить результат в виде аналогового сигнала. Вычислительное устройство в этом случае получается намного проще цифрового и намного более быстродействующее. В аналоговом виде можно совершать все основные арифметические операции, операции логарифмирования и антилогарифмирования, дифференцирования и интегрирования и решение систем линейных дифференциальных уравнений. До того, как появились цифровые вычислительные устройства, в научных исследованиях широко использовались аналоговые вычислительные машины. Теперь их время кончилось, но при решении конкретных задач электроники все еще можно в ряде случаев с успехом использовать аналоговые методы вычислений. Погрешность вычислений в аналоговом виде обычно не превышает 1% и результат получается за время порядка 1 микросекунды. Хотя точность получается намного хуже, чем при цифровых методах вычислений, но все же может оказаться приемлемой. Зато по быстродействию аналоговые вычислительные устройства могут иметь преимущество перед цифровыми.

Усилительный каскад

Существенное уменьшение дрейфа нуля в усилителе постоянного тока достигается с помощью схемного решения, которое реализуется в дифференциальном усилительном каскаде. В основу его построения положен принцип сбалансированного моста. Известно, что баланс моста (см. рис.2.15) сохраняется как при изменении подводимого к нему напряжения, так и при изменении сопротивления резисторов, если выполняется условие

Данное свойство моста уменьшают влияние нестабильности источника питания и изменения параметров элементов схемы на процесс усиления входного сигнала.

На рис.2.16 представлена схема, с помощью которой объясняется принцип работы дифференциального усилительного каскада. Схема состоит из двух частей: мостовой и источника стабильного тока, представленные в виде источника тока I э . В мостовой части схемы два плеча моста образуются резисторами R и R (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15), а два других транзисторами Т и Т (аналоги резисторам R и R схемы рис.2.15). Выходное напряжение снимается с коллекторов транзисторов, т.е. с диагонали моста. Оно равно нулю при балансе моста, который достигается при работе одинаковых по параметрам транзисторов Т и Т в одинаковых режимах, а также одинаковых сопротивлениях резисторов R и R . Если при повышении температуры в процессе работы этих элементов значения их параметров изменяются одинаково, то условие (2.18) выполняется. Идентичность параметров соответствующих элементов мостовой части схемы обеспечивается технологией изготовления интегральных микросхем, в состав которых входят дифференциальные каскады.

Рис. 2.15. Схема четырехплечего Рис.2.16. Схема дифференциального моста усилительного каскада

Вопрос

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Обозначения на схеме

Выводы для подачи напряжения питания (V S+ и V S-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала.

1) Суммирующие и вычитающие устройства на ОУ

2) Измерительные усилители на ОУ

3) Интегратор

4) Дифференциатор

Вопрос

Статические параметры ОУ:

Коэффициент усиления KД . Является основным параметром ОУ на очень низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному). Uвх.д = Uвх1 - Uвх.

Передаточная характеристика ОУ по постоянному току - это зависимость постоянного

выходного напряжения Uвых от постоянного входного дифференциального сигнала Uвх.д.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала K ос. сф = K Д/K с . Можноопределить, если подать на оба входа ОУ одинаковые напряжения, обеспечив при этом нулевое значение

U вх. д. Выходное напряжение также должно остаться равным нулю.

Входное сопротивление . Это сопротивление ОУ по отношению к входному сигналу.

Выходное сопротивление ОУ (R д. вых) . Определяется как для любого дру-

гого усилителя.

Минимальное сопротивление нагрузки (R H min) . Его значение определяется предельным выходным током при номинальном выходном напряжении.

Входное напряжение смещения (U вх. см) . Определяет постоянное напряжение, которое следует присоединить к входу ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Этот параметр учитывает разбаланс и несимметрию входного дифференциального каскада ОУ.

Входной ток смещения (I вх. см) . Равен среднему арифметическому значению двух входных токов ОУ при выходном напряжении, равном нулю, т. е. I вх. см = (I вх1 + I вх2)/2.

Разность входных токов (ΔI вх = I вх1 - I вх2) . Это абсолютное значение разности токов двух входов ОУ при выходном напряжении, равном нулю. Этот параметр, подобно U вх.см, также в значительной степени характеризует величину несимметрии входных каскадов ОУ.

Температурный дрейф напряжения смещения ΔU вх. см/Δt и разности входных токов ΔI вх/Δt . Температурный дрейф соответствует изменению одного из параметров, вызванному изменением температуры окружающей среды на 1 °C.

Коэффициент влияния нестабильности источника напряжения питания K вл. п . Это отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений U п.

Характеристики:

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики . Операцион-

ные усилители, имеющие трехкаскадную структуру для малого сигнала, об-

ладают амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами.

Переходная характеристика ОУ . Переходная характеристика ОУ

позволяет в режиме малого сигнала определить линейные искажения им-

пульсного сигнала, в том числе время нарастания выходного сигнала при

воздействии единичного напряжения на входе усилителя.

Скорость нарастания выходного напряжения V U = ΔU вых/Δt .

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид

Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже

Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит