Полупостоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью информации

 

О П ЖИM::Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских,Социалистичвских

Рвспублик »634373 и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 16.02.76(21) 2323669/18-24 с присоелинением заявки № (5l) М. Кл.

Q 11 С 17/00 (л 11 С 11/22 (23) ПриоритетГооударатееень и ноихтет

Саввтв Мннестров СССР оо делам езооретений к открытей (43) Опубликовано 25.11.78.Бюллетень К. 43 (45) Лата опубликования описания 26,11.78 (53) УЛК 681.327..66(088.8) К. Г. Самофалов, Я. В. Мартынюк, А. II. Харламов, В. Л. Горун, Г. Г. Кирсанов и Н. В. Филатова (72) Авторы изобретения

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (71) Заявитель (54) ПОЛУПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕЗАПИСЬЮ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к области запоминающих устройств (ЗУ), а более конкретно к области полупостоянных ЗУ с электрической переэапис ью информации, построенных на основе сегнетоэлектрических пьезотрансформаторов и предназна5 ченных для использования в труднодоступн1 ных средах и тяжелых условиях эксплуатации, например при изменении в широком диапазоне температур и атмосферных давлений окружающей среды.

Известны полупостоянные ЗУ с элект.рической перезаписью информации 11), f2j.

Одно из известных устройство содержит адресный регистр, регистр ввода-вывода информации, дешифратор и накопитель на

15 керамических сегнегоэлектрических запоминающих элементах (3 Э ) (в частности, на основе широкополосных пьезотраноформаторов), числовые шины которого подсоединены к выходам адресных формирова20 гелей сигналов возбуждения, разрядные шины - к выходам усилителей считывания и выходам разрядных формирователей записи, а экранирующие шины - к адресным формир о ва гелям записи, чер ез ко тор ые эти шины связаны с шиной нулевого потенциала и с источниками напряжений поляризации (1j .

Недостатками этого устройства являют. ся низкая помехозащищенность и надежность, ограниченная информационная емкость, значительные затраты оборудования и потребляемая мощность, Ввиду того, что импульсы тока возбуждения числовых шин накопителя, обеспечивающие заряд и разряд входных емкостей запоминающих элементов, протекают также и через адресные формирователи записи, данное ЗУ обладаег высоким уровнем сигналов помех, обусловленных падением напряжения на динамическом сопротивлении этих формирователей, а также возникновением сигналов электростатических и электромагнитных помех, в особенности при высоких частотах возбуждения. При этом с увеличением информационной емкости повышаются требования к динамическому сопротивлению адресных формирователей записи в открытом со тоянии, 634373 что, в свою очередь, ограничивает допустимую емкость накопителя ЗУ. Кроме гого, в описанном устройстве содержится большое количество сложных электронных формирователей, предназначенных для ра- у боты с относительно высокими напряжениями, поскольку серийные матрицы cer нетоэлекгрических цьеэотран сформаторных

3 Э характеризуются напряжением записи информации {поляризации пьезокерамики

U "250 В.

Иэ известных устройств наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является запоминающее уст ройство> содержащее дешифратор, выходы t$ которого подключены к одним входам адресных формирователей, другие входы которых соединены со входом формирователя противофаэных сигналов возбуждения и одной из управляющих шин, накопитель, 39 числовые шины которого подключены посредством -элементов связи к выходам адресных формирователей, разрядные шины— ко входам усилителей считывания, экранирующие шины соединены через другие эле- 29 менты связи с шиной нулевого потенциала (21

Однако это устройство характеризуется узким температурным диапазоном и невысокой надежностью работы в связи с тем, М что в нем практически невозможно добиться аффективного уменьшения помех на каждом из выходов накопителя, к тому же не зависящего от изменения температуры.

Во-первых, в силу дискретности и техно- И логического разброса номинальных значе» ний емкостей вышеуказанных разделительных конденсаторов (как отдельных радиоэлементов) практически не удается обеопечигь> с одной стороны, равенство между @ собой емкостей этих разделительных конденсаторов, а с другой стороны, равенст во входных емкостей секций возбуждения сегнетоэлектрических пьеэотрансформагоров накопителя и емкостей разделительных конденсаторов, что является необходимым условием уменьшения помех, в частности, при равенстве амплитуд и длительностей двух разнополярных сигналов возбуждения, . одновременно формирующихся на выходе зф выбранного адресного формирователя и формирователя противофазных сигналов возбуждения. Во-вторых, из-з а различий в значениях температурных коэффициентов емкостей разделительных конденсаторов и секций возбуждения накопителя, при ,отклонении температуры окружающей срео ды ог номинального значения (+20 С) необходимое равенство укаэанных элементов принципиально нарушается.

В силу указанных причин в известном устройстее (21 имеют месте сигиеиы помех, полярность которых на различных выходах накопителя имеет случайный характер и которые по амплитуде и длительности значительно увеличиваются при отклонении ог номинального значения температуры окружающей среды, что приводит к искажению, а затем и полному подавлению выходных информационных сигналов. Это, в свою очередь, снижает надежность устройства при считывании информации, а также исключает возможность его работы в широком температурном диапазоне, которая открывается с применением в качестве разделительных элементов сегнетоэлектрических пьезогрансформаторов.

Целью настоящего изобретения являет ся расширение температурного диапазона и повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены сегнетоэлекгрические пьезотрансформагорные разделительные элементы, экранирующие и выходные электроды которых подключены к выходу формирователя прогивофазных сит налов возбуждения, а входные электродык соответствующим экранирующим шинам накопителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема полупосгоянного ЗУ запоминающего устройства с электрической перезаписью информации, построенного, в частности, на основе сегнегоэлектрических пьезогрансформагорных запоминающих элементах, уровень напряжения перезаписи информации в которых превышаег максимально допустимые напряжения электронных схем управления устройства.

Устройство соедржит блок 1 памяти, в состав которого входят адресный блок

2, накопитель 3, группа 4 усилителей считывания и управляющие шины, выполненные, например, в виде шгепселей 511, являющихся внешними выводами устройстваа.

Адресный блок 2 состоит иэ дешифратора 1 2> входы которого соединены со штепселями 5 устройства, а выходы подключены к управляющим входам адресных формирователей 13. Сгробирующие входы формирователей 13 соединены со входом формирователя 14 прогивофазных сигна« лов возбуждения и подключены к штепселю 6 устройства.

634373

Накопитель Э информации содержит матрицы 15 сегнегоэлектрических широкополосных пьеэогрансформагоров, например серийные интегральные пьеэокерамические микросхемы типа 307-РВ 1. В каждой из матриц 15 входные электроды 16 подключены к числовым шинам 17 накопителя, экранирующий электрод 18 - к экранирующей шине 19, а выходной электрод

20 - разрядной шине 21. Пьезокерами- @ ческая пластина 22 гвнервгорной секции матрицы 15 имеет жесткую спонтанную (остаточную) поляризацию. Участки сегнегоэлектрической пьезокерамики пластины 23 секции возбуждения под входными электродами 16 могут иметь различную спонтанную поляризацию Р, причем направление ее определено записанной информацией. Числовые шины 17 накопителя 3 подсоединены посредством элементов свя- ® зи, например конденсаторов 24, к выходам адресных формирователей. 13 в блоке

2 и, кроме того, подключены к штепселям

8. Разрядные шины 21 подсоединены к входам усилителей 25 считывания, выходы когорых соединены со штепселями 7.

Зкраиирующие шины 19 подключены к штепселям 11 и, кроме того, соединены через другие элементы связи, например конденсаторы 26, с шиной 27 нулевого потенциала, связанной со штепселем 10.

Устройство содержит также группу сегнетоэлектрических пьеэотрансформвторных разделительных элементов, например Зу матрицу 28 сегнетоэлектрических пьезотрансформв торов, однотипную с матрицами 15 в накопителе 3. Экранирующий электрод 18 и выходной электрод 20 дополнительной матрицы 28 подключены к 46 выходу формирователя 14 противофазных сигналов возбуждения в блоке 2, в входные электроды 16 - к соответствующим . экранирующим шинам 19 накопителя 3.

Кроме того, числовые шины 17 и экра- Ю нирующие шины 19 накопителя 3 через резисторы 29 подсоединены к шине 30 источника напряжения смещения, а экранирующие шины 19 дополнительно связаны с шиной 27 нулевого потенциала через "® нормально замкнутые контакты 31 элект рических реле, управляющие входы когорых соединены со штепселем 9. Шгепсели ll устройства соединены между собой и со штепселем 10 посредством общей шины 32, которая размещена на съемной ответной (гнеэдной) части штепсельного разъемного соединения.

Полупостоянное запоминающее устройство имеет гри режима работы: режим электрической перезаписи информации, а также режимы хранения и считывания информации.

Электрическая перезапись информации в устройство заключается в установке соответствующих направлений остаточной (спонганной) поляризации P участков cer негоэлекгрической пьезокерамики пластин

23, расположенных между выбраннымивходными электРодами 16 и экрвнирующими электродами 18 матриц 15 пьеэогрансформягоров накопителя 3, путем воздействия ня них электрического поля. Перезапись осуществляется при помощи автономного устройства электрической перезаписи информации, которое посредством шин связи, например кабеля связи длиной до

l0 м, подключают к соответствующим управляющим шинам устройства, в данном случае к штепселям 8, 9, 10 и 11, предварительно отсоединив ог них общую шину

32. В первую очередь на штепсель 9 подается управляющий потенциальный сигнал, обеспечивающий размыкание контактов 31 электрических реле, а на штепсель 10— сигнал нулевого потещивла. Затем вырабатываются импульсы напряжения поляризации 0 которые через штецсели 8 и 11 подводятся к числовым 17 и экранируюшим

1 9 шинам накопителя 3 и соогве ТсТВНН с записываемой информацией. Отметим, что длительности импульсов напряжения Ц и их фронтов значигельно, а именно в

10 — 10 раз, превышают аналогичные э параметры импульсов напряжения, приклвдываемых к числовым шинам 17 накопителя при считывании информации. Под воздействием электрического поля, созданного между экранирующими электродами 18 и выбранными входными электродами 16 матриц 15, соответствующие участки пье;зокерамики пластин 23 под электродами

16 поляризуются в заданных при записи направлениях. При этом ложная запись или разрушение хранимой информации в невыбранных элементах памяти накопителя 3 не происходит.

Процесс записи нового числа состоит иэ двух операций. Вначале производится предварительная подготовка, которая заключается в стирании ранее записанной информации. Иля этого импульс напряже.ния поляризации Up, равный по амплитуде + 250 В для серийных матриц, пода-! ется через штепсели 11 на все экранирукнцие шины 19 и через шгепсели Я на

634373 все, кроме выбранной, числовые шины 17 накопителя 3, а выбранная числовая шина подключается к шине 27 нулевого потенциала.Таким образом, напряжение + 0 Р прикладывается к участкам пьезокерамики Э пластин 23 секций возбуждения матриц 15 под теми электродами 16, которые связаны с выбранной числовой шиной. Под действием этого напряжения указанные участки пьезокерамики поляризуются в направ- 1© пении, соответствукицем значению логического "О", т.е. в данном адресе стирает ся ранее записанная информация. Затем производится запись логических 1" в соответствии с кодом числа. При этом импульс напряжения поляризации + Ор прикладывается к выбранной числовой шине 17, а к невыбранным числовым шинам прикладывается импульс напряжения +1/3 0@.

Зкранирующие шины 19 накопителя, сост» 2© ветствующие тем разрядам кода записываемого числа, в которых имеется логическая 1", подключаются к шине нулевого потенциала, а к остальным экранирующим шинам прикладывается импульс напря-% жения + 2/3 U р. Вследствие этого к участкам пьезокерамики пластин 23 секций возбуждения матриц 15, обращенным к входным электродам 16, связанным с невыбранными числовыми шинами, прикла- ® ды вае тся на пряжени е + 1/3 Ц или1/ЗО, связанным с выбранной числовой шиной, через которые записываются логические 0 - 1/3()р, через которые записываются логические "1" - О р . Под действием напряжения -Ор изменяется направление поляризации Р соответствующих участков пьезокерамики пластин 23, т.е. происходит запись логических 1", Пля изменения поляризации Р участков пьеэокерамики пластин 23 напряжения

+ 1/3 Up недостаточно, что исключает разрушение информации в невыбранных адресах и запись ложной информации в выбранном адресе. Таким образом, после фф стирания предыдущей и записи новой информации участки пьезокерамики пластин

23 под электродами 16, которые подключены к выбранной числовой шине 17, поляризованы в направлениях, соответствующих записываемому числу.

Предлагаемое устройство характеризуется принципиально энергонезависимым и практически неограниченным во времени сроком хранения информации, записанной в накопителе 3 (в частности, на серийных микросхемах типа 307-РВ1 - в течении

12 лет после перезаписи),а также значительным количеством возможных циклов

8 переэа писк — не менее 1 0 циклов.

В режиме считывания информации устройство допускает выборку хранимой информации с произвольным доступом к числовым шинам 17 накопителя 3. Важно отметить, что в этом режиме устройство нормально функционирует и при подключенном к нему устройстве электрической перезаписи информации, когда экранирующие шины 19 накопителя 3 соединены с шиной

27 нулевого потенциала только лишь через конденсаторы 26.

В начальный момент цикла считывания информации через штепсели 5 на входы дешифратора 12 поступают сигналы кода адреса, по которому необходимо произвести считывание информации, и на соответс вующем выходе дешифратора 12 формируется разрешающее напряжение, которое прикладывается к управляющему входу выбранного адресного формирователя 13. Затем через штепсель 6 в блок 1 поступает импульсный сигнал обращения. Передний фрон сигнала обращения обуславливает подачу одиночного импульса тока возбуждения с выхода выбранного адресного формирователя 13 через конденсатор 24 в соответствующую числовую шину 17 накопителя. Одновременно с этим с выхода формирователя 14 противофазных сигналов возбуждения через сегнетоэлектрические пьезотрансформаторные разделительные элементы секции возбуждения матрицы 28 в экранирующие шины 19 накопителя 3 подается другой импульс тока той же амплитуды и длительности противоположной полярности. В силу равенства входных ем. костей секций возбуждения матриц 15 накопителя и емкостей секции возбуждения матрицы 28, на выбранных входных электродах 16 матриц 15 и экранирующем электроде 18 матрицы 28 относительно экранирующих шин 19 накопителя одновременно формируются противофазные перепады напряжений одинаковой амплитуды. Благодаря этому при возбуждении накопителя сохраняется практически неизменным значение потенциала экранирующих шин 19 накопителя, а также исключается протекание токов как через конденсаторы 26 в шину 27 нулевого потенциала, так и через емкости генераторных секций (емкости между экранирующими 18 и выходными 20 электродами) матриц 15 в разрядные шины 21 накопителя, в результате чего на выходах последнего сущес

634373 венно уменьшаются порождаемые сигналом .возбуждения помехи.

Вместе с тем, в каждой из матриц 15 накопителя 3 к участку пьеэокерамики пластины 23, расположенному между выб- и ранным входным электродом 16 и экранирующим электродом 18, прикладывается перепад напряжений возбуждения (.), сформированный на выбранной числовой шине

l 7. За счет лвления обратного пьезоэлектрического эффекта этот участок пьезокерамнки испытывает деформацию, которая благодаря наличию механической связи передается пьезокерамической пластине

22 генераторной секции матрицы 15. И

Вследствие явления прямого пьезоэлект рического эФфекта на выходном электроде 20 матрицы 15 относительно ее экранирующего электрода 18, который через конденсатор 26 подключен к шине 27 ну- ЛЭ левого потенциала, появляется информационный импульсный сигнал в виде свободных (нескомпенсированных )электрических зарядов, которые по разрядной шине 21 накопителя поступают на вход соответству- И ющего усилителя считывания 25. B силу линейности пьезоэлектрического эффекта направление деформации возбуждаемого участка пьеэокерамики пластины ? 3, а следовательно, и знак свободных электри- ® ческих зарядов на выходном электроде 20 каждой из матриц 15 накопителя 3, однозначно зависит от направления остаточной поляризации P этого участка пьезокерамики, которое, в свою очередь, определено двоичной информацией, записанной в данном накопителе.

В результате воздействия информацион. ных сигналов из накопителя 3 на входы усилителей считывания 25 на их выходах формируются сигналы кода считанного числа, которые через штепсели 7 устройст ва поступают K потребителю. Затемпозаднему фронту импульсного сигнала обращения выбранный адресный формирователь 1 3 и формирователь 14 одновременно подают в накопитель противофазные импульсы ro а одинаковой амплитуды и длительности, полярность каждого из которых противоположна полярности предшествующего (обусловленного передним фронтом сигнала обращения) импульса гока возбуждения на выходе соответствующего формирователя.

Укаэанные импульсы тока восстанавлива» ют исходное состояние опрошенной (выбранной) числовой шины 17 накопителя 3 и экранирующега электрода 18 матрицы

28, освобождая их от накопленных в процессе возбуждения электрических зарядов.

После этого запоминающее устройство готово к новому циклу считывания информации. Благодаря выбору параметров сигнала возбуждения, которые позволяют исключить изменение остаточной поляризации Р участков пьезокерамики пластины 23 каждой из матриц 15 накопителя, хранимая в устройстве информация при считывании не разрушается. В частности, амплитуда 0 > выбрана не превышающей 1/5 U, а длительность импульсного напряжения, прикладываемого к числовой шине 1.7 накопителя, в цикле считывания информации - практически в 10 раза меньше, чем в цикле пер еза и и си.

Отметим также, что в силу существен» ного различия частотных диапазонов сигнанов при считывании и перезаписи информации нормальное функционирование описайного устройства в этих режимах работы обеспечивается соответствующим оптимальным выбором номинальных значений конденсаторов 24 и 26. При этом конденсагоры 24 служат для защиты формирователей 13 от разрушения их импульсами напряжения поляризации Up, поступающими на числовые шины 17 накопителя при перезаписи информации. Конденсаторы 26 обеспечивают связь экранируюших шин

19 накопителя с шиной 27 нулевого потенцйала, что необходимо в режиме считывания информации, и не исключают подачу на эти шины 19 импульсов напряжения поляризации Up при перезаписи информации, от воздействия которых, в свою очередь, формирователь 14 защищен конст эуктивными емкостями между входными электродами 16 и экранирующим электродом 18 секции возбуждения матрицы 28, а усилителя считывания 25 - конструк-. тивными емкостями между экранирующими электродами 18 и выходными электр родами 20 генераторных секций матриц

15 накопителя. Вместе с тем, в режиме хранения информации участки пьеэокерамики пластины 23 матриц 15 накопителя принудительно находятся под нулевым напряжением в силу подключения числовых

17 и экранируюших 19 шин накопителя через резисторы 29 (порядка единиц

МОМ) к одному источнику напряжения смещения (шина 30). Контакты 31 электр ромеханических реле и общая шина 32 снижают динамическое сопротивление и повышают надежность связей экранирукьщих шин 19 накопителя с шиной 27 нулевого потенциала, т.е. элементы связи

634373 12 о ком температурном диапазоне от -60 С до + 125 С.

26, 31 и 32 совместно исключают недостатки, присущие каждому из них в огдельности. Следует также отметить, что в случае применения сегнетоэлектричеоких пьезотрансформаторных запоминающих S элементов с уровнем напряжения перезаписи информации, не превышающим максимально допустимое напряжение для злака ронных схем адресных формирователей 13, последние кроме сигналов считывания фор- <® мируют также и сигналы перезаписи, подаваемые на числовые шины 17 накопителя, что позволяет устранить из устройства штепсели 8 (адресные управляющие шины записи), а в качестве элементов связи между выходами адресных формирователей 13 и числовыми шинами 17 накопителя вместо конденсаторов 24 использовать шины связи.

В силу изготовления сегнетоэлектри- © ческих пьезотрансформаторных матриц методами интегральной технологии дости» жение в описанном устройстве требуемой степени точности равенства входных конструктивных емкостей 3Э однотипных матриц 15 и матрицы 28, которое, в . свою очередь, зависит от индентичности . размеров входных электродов 16, а также от равномерности толщины и однородности сегнетоэлектрической пьезокерамнки пластин 23 матриц, не вызывает зат- руднений. Йостигнутое . при изготовлении равенство входных конструктивных емкостей ЗЭ матриц 15 и разделительных элементов матрицы 28 сохраняется в широФормула изобре тенин

Полупостоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью инфор.мации, содержащее дешифратор, выходы которого подключены к одним входам адресных формирователей, другие входы которых соединены со входом формировате ля противофазных сигналов возбуждения и одной из управляющих шин, накопитель, числовые шины которого подключены посредством элементов связи к выходам адресных формирователей, разрядные шиныко входам усилителей считывания, а экранирующие шины соединены через другие элементы связи с шиной нулевого потенциала, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью расширения температурного диапазона и повышения надежности устройства, оно содержит сегнетоэлектрические пьезотрансформаторные разделительные элементы, экранирующие и выходные электроды которых подключены к выходу формирователя противофазных сигналов возбуждения, а входные электроды - к соответствующим экранирующим шинам накопителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент США ¹ 3462746, кл. 340-173.2, 1969.

2. Авторское свидетельство № 481067, кл. Cj 11 С 11/00, 1975.

634373

Составитель В. Рудаков

Редактор Q, Мепуришвили Техред О. Андрейко Корректор А. Власенко

Заказ 6772/52 Тираж 675 Подписное

UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4