Laboratorio 3: Celle di memoria RAM Ing. Ivan Blunno 21 aprile 2005 1 Cella RAM statica a 4 transistor Realizzare il circuito di figura 1 rappresentante una cella di RAM statica a 4 transistor. Assegnare alle resistenze di pull-up R1 ed R2 il valore di 1MΩ (1meg). Tutti i transistor hanno lunghezza e larghezza di canale pari ad 1µ (W = 1u, L = 1u). i ricorda di definire il modello dei transistor assegnando i seguenti valori per le capacità parassite di drain a source: cbs = 1f e cbd = 1f. Le tensioni di soglia saranno vto = 1 per i transistor NMO e vto = 1 per i transistor PMO. Le capacità C1 e C2 sono le capacità parassite delle linee e dovranno essere pari a 150fF. Le capacità C3 e C4 hanno il solo scopo di assegnare il valore iniziale memorizzato nella cella (che altrimenti sarebbe indeterminato). Assegnare a C3 valore iniziale 0 ed a C4 valore iniziale 5V. Assegnare ad entrambi una capacità pari a 1fF. I nodi P e W sono gli ingressi di precharge e word line. Collegare ad entrambi un generatore di tensione a impulsi (VPWL). cegliere come periodo (PER) per entrambi il valore di 100ns, come durata dell impulso (PW) il valore si 30ns e come valori dei tempi di ritardo di salita e di discesa (TR e TF) il valore di 1ns. Poiché la precarica deve precedere la lettura ed i due impulsi non devono sovrapporsi è necessario scegliere due tempi di ritardo iniziale diversi (TD). i scelga 1ns per il segnale di precharge e 45ns per il segnale di word select. i noti inoltre che il segnale di precharge entra sul gate di due PMO mentre il segnale di word select entra su due NMO. Per questa ragione il primo dovrà avere V 1 = 5 e V 2 = 0 mentre per il secondo questi valori dovranno essere scambiati. NOTA: I nodi di substrato dei transistor NMO vanno collegati a massa mentre quelli dei PMO vanno collegati all alimentazione. 1.1 imulazione di un ciclo di lettura 1. imulare il circuito descritto al paragrafo precedente per un ciclo e verificare che la lettura porta ad avere un 1 sull uscita D ed uno 0 sull uscita DN. 1
P R1 R2 C1 C2 C3 C4 W D DN Figura 1: Cella RAM statica a 4 transistor 2. Collegare l ingresso di precarica P all alimentazione (precarica interdetta) e assegnare ai condensatori parassiti delle linee C1 e C2 il valore iniziale 0. Verificare come il tempo durante il quale il segnale W resta ad 1 non è suffciente a portare le due linee ai valori di regime. 1.2 imulazione di un ciclo di scrittura Mantenendo la precarica interdetta (nel ciclo di scrittura questa fase non è necessaria) collegare la linea D a massa e la linea DN all alimentazione e verificare che al termine del ciclo di scrittura il valore contenuto nella cella (tensioni ai capi delle capacità parassite C3 e C4) è cambiato. 2 Cella RAM statica a 6 transistor Modificare il circuito di figura 1 sostituendo alle due resistenze due transitor PMO con gli ingressi collegati a quelli dei rispettivi NMO. 2.1 imulazione di un ciclo di lettura Ripetere le simulazioni del paragrafo 1.1. In particolar modo verificare che per questo tipo di cella il ciclo di precarica non è necessario, ma può essere utile per avere il valore alto sulle linee di dato pari a 5 volt (senza precarica il valore 2
massimo che si può raggiungere sarà pari a V DD V T n = 4V per via del pass transistor). 2.2 imulazione di un ciclo di scrittura Ripetere la simulazione del paragrafo 1.2 3 Cella RAM dinamica a 4 transistor La cella dinamica a 4 transistor può essere ottenuta semplicamente dalla cella statica a 6 transistor eliminando i due transistor PMO di pull-up. 3.1 imulazione di un ciclo di lettura 1. Ripetere le simulazione del paragrafo 1.1 e verificare come il ciclo di precarica sia necessario a garantire il corretto funzionamento della cella in fase di lettura. 2. Provare a deteriorare il contenuto della cella di memoria, assegnando ad esempio un valore iniziale al condensatore C4 pari a 3V invece di 5V. Verificare che il ciclo di lettura ripristina un valore corretto di tensione nella capacità. 3.2 imulazione di un ciclo di scrittura Ripetere la simulazione del paragrafo 1.2 4 Cella RAM dinamica a 1 transistor i realizzi il circuito di figura 2. i utilizzino come capacità di linea (C1 e C2) un valore di 150fF. i utilizzi come capacità di memoria C3 un valore di 50fF. Non potendo utilizzare più di 10 transistor non è possibile precaricare il condensatore C2. È dunque necessario dare a questo condensatore un valore iniziale di 2.5V. Realizzare gli inverter tri-state che compongono il sense amplifier come mostrato in figura 3. ATTENZIONE: questa volta il transistor di precharge è collegato a 2.5V e NON a 5V!!! 4.1 imulazione di un ciclo di lettura Per poter effettuarre la simulazione è necessario generarsi i segnali di sense ( e ) che attivano gli inverter tri-state. Questi segnali devono iniziare dopo l inizio della fase di word select e terminare contemporaneamente al termine della fase 3
2.5V P C1 W C3 C2 Figura 2: Cella RAM dinamica ad 1 transistor Figura 3: Inverter tri-state 4
di word select. È possibile che alcuni condensatori non riescano a raggiungere il valore di regime perché i tempi di carica sono troppo brevi. Per risolvere il problema si possono allungare i tempi di carica oppure aumentare le larghezze di canale (W) dei transistor. 1. imulare il ciclo di lettura ponendo la condizione iniziale di C3 prima a 5V e poi a 0V. Verificare come sulla linea, prima della fase di sense, il salto di tensione sia molto basso. 2. ripetere la simulazione precedente ponendo la condizione iniziale di C3 pari a 2.7V e verificare se il circuito funziona ancora. Verificare che al termine della fase di sense il valore presente nel condensatore C3 è stato ripristinato a 5V. 3. Ripetere le simulazioni precedenti utilizzando un condensatore di memoria (C3) più piccolo e verificare che il circuito funzioni ancora. 5