鐵電存儲器原理及應用比較
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞：鐵電存儲器 FRAM原理 8051 存儲技術(shù)
1 背景
鐵電存儲技術(shù)最在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開(kāi)發(fā)出第一個(gè)4Kb的鐵電存儲器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權。最近幾年，FRAM又有新的發(fā)展，采用了0.35μm工藝，推出了3V產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出“單管單容”存儲單元的FRAM，最大密度可在256Kb。
2 FRAM原理
FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實(shí)現數據存儲，鐵電晶體的結構如圖1所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運動(dòng)，并達到一種穩定狀態(tài)；當電場(chǎng)從晶體移走后，中心原子會(huì )保持在原來(lái)的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒(méi)有獲得外部能量時(shí)不能越過(guò)高能階到達另一穩定位置，因此FRAM保持數據不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無(wú)關(guān)，所以FRAM存儲器的內容不會(huì )受到外界條件（諸如磁場(chǎng)因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。
FRAM的特點(diǎn)是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫(xiě)功耗極低，不存在如E2PROM的最大寫(xiě)入次數的問(wèn)題；但受鐵電晶體特性制約，FRAM仍有最大訪(fǎng)問(wèn)（讀）次數的限制。
2．1 FRAM存儲單元結構
FRAM的存儲單元主要由電容和場(chǎng)效應管構成，但這個(gè)電容不是一般的電容，在它的兩個(gè)電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個(gè)存儲單元使用2個(gè)場(chǎng)效應管和2個(gè)電容，稱(chēng)為“雙管雙容”（2T2C），每個(gè)存儲單元包括數據位和各自的參考位，簡(jiǎn)化的2T2C存儲單元結構如圖2（a）所示。2001年Ramtron設計開(kāi)發(fā)了更先進(jìn)的“單管單容”（1T1C）存儲單元。1T1C的FRAM所有數據位使用同一個(gè)參考位，而不是對于每一數據位使用各自獨立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡(jiǎn)化的1T1C存儲單元結構（未畫(huà)出公共參考位）如圖2（b）所示。
2.2 FRAM的讀/寫(xiě)操作
FRAM保存數據不是通過(guò)電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對中心原子的位置進(jìn)行檢測是不能實(shí)現的。實(shí)際的讀操作過(guò)程是：在存儲單元電容上施加一已知電場(chǎng)（即對電容充電），如果原來(lái)晶體中心原子的位置與所施加的電場(chǎng)方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會(huì )移動(dòng)；若相反，則中心原子將越過(guò)晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會(huì )出現一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒(méi)有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)類(lèi)峰。把這個(gè)充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內容是“1”或“0”。
無(wú)論是2T2C還是1T1C的FRAM，對存儲單元進(jìn)行讀操作時(shí)，數據位狀態(tài)可能改變而參考位則不會(huì )改變（這是因為讀操作施加的電場(chǎng)方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復其內容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預充”（precharge）過(guò)程來(lái)對數據位恢復，而參考位則不用恢復。晶體原子狀態(tài)的切換時(shí)間小于1ns，讀操作的時(shí)間小于70ns，加上“預充”時(shí)間60ns，一個(gè)完整的讀操作時(shí)間約為130ns。
圖2
寫(xiě)操作和讀操作十分類(lèi)似，只要施加所要的方向的電場(chǎng)改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無(wú)需進(jìn)行恢復。但是寫(xiě)操作仍要保留一個(gè)“預充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。FRAM的寫(xiě)操作與其它非易失性存儲器的寫(xiě)操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
2.3 FRAM的讀寫(xiě)時(shí)序
在FRAM讀操作后必須有個(gè)“預充電”過(guò)程，來(lái)恢復數據位。增加預充電時(shí)間后，FRAM一個(gè)完整的讀操作周期為130ns，如圖3（a）所示。這是與SRAM和E2PROM不同的地方。圖3（b）為寫(xiě)時(shí)序。
3 FRAM與其它存儲技術(shù)比較
目前Ramtron公司的FRAM主要包括兩大類(lèi)：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I2C兩線(xiàn)方式的FM24系列和SPI三線(xiàn)方式的FM25xx系列。串行FRAM與傳統的24xx、25xx型的E2PROM引腳及時(shí)序兼容，可以直接替換，如Microchip、Xicor公司的同型號產(chǎn)品；并行FRAM價(jià)格較高但速度快，由于存在“預充”問(wèn)題，在時(shí)序上有所不同，不能和傳統的SRAM直接替換。
FRAM產(chǎn)品具有RAM和ROM優(yōu)點(diǎn)，讀寫(xiě)速度快并可以像非易失性存儲器一樣使用。因鐵電晶體的固有缺點(diǎn)，訪(fǎng)問(wèn)次數是有限的，超出限度，FRAM就不再具有非易失性。Ramtron給出的最大訪(fǎng)問(wèn)次數是100億次（10 10），但是并不是說(shuō)在超過(guò)這個(gè)次數之后，FRAM就會(huì )報廢，而是它僅僅沒(méi)有了非易失性，但它仍可像普通RAM一樣使用。
（1）FRAM與E2PROM
FRAM可以作為E2PROM的第二種選擇。它除了E2PROM的性能外，訪(fǎng)問(wèn)速度要快得多。但是決定使用FRAM之前，必須確定系統中一旦超出對FRAM的100億次訪(fǎng)問(wèn)之后絕對不會(huì )有危險。
圖3
從速度、價(jià)格及使用方便來(lái)看，SRAM優(yōu)于FRAM；但是從整個(gè)設計來(lái)看，FRAM還有一定的優(yōu)勢。
假設設計中需要大約3KB的SRAM，還要幾百個(gè)字節用來(lái)保存啟動(dòng)代碼的E2PROM配置。
非易失性的FRAM可以保存啟動(dòng)程序和配置信息。如果應用中所有存儲器的最大訪(fǎng)問(wèn)速度是70ns，那么可以使用1片FRAM完成這個(gè)系統，使系統結構更加簡(jiǎn)單。
（3）FRAM與DRAM
DRAM適用于那些密度和價(jià)格比速度更重要的場(chǎng)合。例如DRAM是圖形顯示存儲器的最佳選擇，有大量的像素需要存儲，而恢復時(shí)間并不是很重要。如果不需要下次開(kāi)機時(shí)保存上次內容，使用易失性的DRAM存儲器就可以。DRAM的作用與成本是FRAM無(wú)法比擬的。事實(shí)證明，DRAM不是FRAM所能取代的。
（4）FRAM與Flash
現在最常用的程序存儲器是Flash，它使用十分方便而且越來(lái)越便宜，程序存儲器必須是非易失性的，并且要相對低廉，還要比較容易改寫(xiě)。而使用FRAM會(huì )受訪(fǎng)問(wèn)次數的限制。
4 FRAM與單片機接口
下面介紹并行FRAM――FM1808與8051/52―的實(shí)際應用。
4.1 預充電信號的產(chǎn)生
在大多數的8051系統中，對存儲器的片選信號CE通常允許在多個(gè)讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)操作時(shí)保持為低。但這對FM1808不適用，必須在每次訪(fǎng)問(wèn)時(shí)CE由硬件產(chǎn)生一個(gè)正跳變。標準8051核的一個(gè)機器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期，ALE信號在每個(gè)機器周期中有效兩次，除了對外部數據存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)僅有效一次。8051對外部存儲器的讀或寫(xiě)操作需要兩個(gè)機器周期?？焖傩?051如DS87C520或W77E58的一個(gè)機器周期僅需4個(gè)時(shí)鐘周期，而在一些新的，如Philips的8051中，一個(gè)機器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，在任何一個(gè)機器周期中ALE信號都有效兩次。盡管有這些不同，仍可以用ALE信號和地址片選來(lái)產(chǎn)生可用作FRAM訪(fǎng)問(wèn)的CE信號。要保證對FM1808的正確訪(fǎng)問(wèn)，必須注意兩點(diǎn)：
第一，FRAM的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間必須大于70ns；
第二，ALE的高電平寬度必須大于60ns。
對于標準的8051/52，ALE信號的寬度因不同廠(chǎng)家略有不同。一些快速的8051/52系列，如Dallas的DS87C520，Winbond的W77E58則更窄一些。
圖4
4．2 FM1808與8051的接口電路
FM1808與8051接口電路如圖4所示。這里使用8051的ALE信號和由地址產(chǎn)生CE的片選信號相“或”來(lái)產(chǎn)生CE的正跳變。2片32K8的FRAM存儲器，A15與ALE通過(guò)74FC32相“或”作為U2的片選，取反后作為U3的片選。所以，U2的地址為0～7FFFH，U3的地址為8000H～FFFFH。8051的RD信號與PSEN信號相“與”后作為U3的輸出允許，所以U3作為程序或數據存儲器使用。當J1跳接塊在右邊時(shí)，U2與U3用法相同；而J1跳接在左邊時(shí)，U2僅作為程序存儲器。要保證代碼不會(huì )意外地被改寫(xiě)，僅需斷開(kāi)J2即可。
需要注意的是，由于邏輯門(mén)電路都有6～8ns的延時(shí)時(shí)間，在主頻較高時(shí)對應使用快速型邏輯芯片（F系列）。
結語(yǔ)
FRAM產(chǎn)品為我們提供了可使用的存儲器的一種新選擇，在原來(lái)使用E2PROM的應用中表現會(huì )更出色，為某些原來(lái)認為需要使用SRAM的E2PROM的應用系統找到一種新的途徑。但是由于最大訪(fǎng)問(wèn)次數的限制，要成為理想的通用存儲器，FRAM還有很長(cháng)的路要走。
評論