Полупостоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью информации

О П -ИФ.:.И: Е ИЗОБРЕТЕН ИЯ Союз Советскх(23) Приоритетооударатеенней ноинтетСаввтв Мнннотров СССРоо делам нэооретеннйк открытей летень43 43) Опубликовано 25.11.78) УЛК 681.327. . 66 (088. 8) 5) Лата опубликования описания 26,11,7 72) Авторы изобретения К. Г, Самофалов, Я. В. Мартынюк, А. Н. Харламов,В. Л. Горун, Г. Г. Кирсанов и Н. В. Филатова Киевский ордена Ленина политехнический институтим, 50-летия Великой Октябрьской социалистическойреволюции 71) Заявитель(54) ПОЛУПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕЗАПИСЬЮ ИНФОРМАЦИИИзобретение относится к области запоминающих устройств (ЗУ), а более конкретно к области полупостоянных ЗУ с электрической перезапис ью информации, построенных на основе сегнетоэлектрических пьезотрансформаторов и предназначенных для использования в труднодоступе 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 , 21.Одно из известных устройство содержит адресный регистр, регистр ввода-вывода информации, дешифратор и накопитель на керамических сегнетоэлектрических запоминающих элементах ( 3 Э ) ( в частности, на основе широкополосных пьезотраноформаторов), числовые шины которого подсоединены к выходам адресных формировагелей сигналов возбуждения, разрядные шины - к выходам усилителей считывания и выходам разрядных формирователей записи, а экраннрующие шины - к адресным 2формирователям записи, через которыеэти шины связаны с шиной нулевого потенциала и с источниками напряжений поляризации 11 .Недостатками этого устройства являют5ся 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 емкостейзапоминающих элементов, протекают также и через адресные формирователи записи, данное ЗУ обладает высоким уровнем5сигналов помех, обусловленных падениемнапряжения на динамическом сопротивленииэтих формирователей, а также возникновением сигналов электростатических и20электромагнитных помех, в особенностипри высоких частотах возбуждения. Приэтом с увеличением информационной емкости повышаются требования к динамическому сопротивлению адресных формирователей записи в открытом состоянии,что, в свою очередь, ограничивает допуогимую 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 сегнетоэлекгрических ньеэотран сформаторных 3 Э характеризуются напряжением записи информации ( поляризации пьезокерамики 1 Е О "250 В.Иэ известных устройств наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является запоминающее устройство содержащее дешифратор, выходы 1 которого подключены к одним входам адресных формирователей, другие входы которых соединены со входом формирователя противофаэных сигналов возбуждения и одной из управляющих шин, накопитель, ЗФ числовые шины которого подключены посредством -элементов связи к выходам адресных формирователей, разрядные шины - ко входам усилителей считывания, экранирующие шины соединены через другие эле менты связи с .шиной нулевого потенциала 21Однако это устройство характеризуется узким температурным диапазоном и невысокой надежностью работы в связи с тем, ф что в нем практически невозможно добиться эффективного 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 радио- элементов) практически не удается обеопечигь с одной стороны, равенство междуф собой емкостей этих разделительных конденсаторов, а с другой стороны, равенсгво входных емкостей секций возбуждения сегн е тоэлектрических пьеэо трансформа горов накопителя и емкостей разделительных 4 ф 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 конденсаго- фф ров и секций возбуждения накопителя, при ,отклонении температуры окружающей срео ды от номинального значения (+20 С) необходимое равенство укаэанных элементовпринципиально нарушается.В силу указанных причин в известномустростео 21 имеют место сигиеиы сомах полярность которых на различных выходах накопителя имеет случайный характер и которые по амплитуде и длительности значительно увеличиваются при отклонении от номинального значения температуры окружающей среды, что приводит к искажению, а затем и полному подавлениювыходных информационных сигналов. Это, всвою очередь, снижает надежность устройства при считывании информации, а такжеисключает возможность его работы в широком температурном диапазоне котораяоткрывается с применением в качестверазделительных элементов сегнетоэлектрических пьезотрансформаторов,Целью настоящего изобретения является расширение температурного диапазонаи повышение надежности устройства.Поставленная цель достигается тем,что в устройство введены сегнетоэлекгрические пьезотрансформагорные разделительные элементы, экранируюшие и выходные электроды которых подключены квыходу формирователя прогивофазных сигналов возбуждения, а входные электродык соответствующим экранирующим шинамнакопителя,Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема полупосгоянного ЗУ запоминающего устройства с электрической пере.записью информации, построенного, в частности, на основе сегнегоэлектрическихпьезогрансформагорных запоминающихэлементах, уровень напряжения перезаписи информации в которых превышаег максимально допустимые напряжения элекгронных схем управления устройства.Устройство соедржит блок 1 памяти,в состав которого входят адресный блок2, накопитель 3, группа 4 усилителейсчигывания и управляющие шины, выполненные, например, в виде шгепселей 511, являющихся внешними выводами устройства,Адресный блок 2 состоит иэ дешифратора 1 2 входы которого соединены соштепселями 5 устройства, а выходы подключены к управляющим входам адресныхформирователей 1 3. Сгробируюшие входыформирователей 13 соединены со входомформирователя 14 прогивофазных сигналов возбуждения и подключены к штепселю 6 устройства.Накопитель Э информации содержит матрицы 15 сегнегоэлектрических широкополосных пьеэогрансформагоров, например серийные интегральные пьеэокерамические микросхемы типа 307-РВ 1. В каждой З из матриц 15 входные электроды 16 подключены к числовым шинам 17 накопителя, экранируюший электрод 18 - к экранирующей шине 19, а выходной электрод 20 - разрядной шине 21. Пьезокервми- ф ческая пластина 22 гвнервгорной секции матрицы 15 имеет жесткую спонтанную (остаточную) поляризацию. Участки сегнетоэлектрической пьезокерамики пластины 23 секции возбуждения под входными 1 э электродами 16 могут иметь различную спонтанную поляризацию Р, причем направление ее определено записанной информацией. Числовые шины 17 накопителя 3 подсоединены посредством элементов свя- фф 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 которых соединены со штепселями 7.Зкранируюшне 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 пьеэотрансформаторных разделительных элементов, например Зу матрицу 28 сегнетоэлектрических пьеэотрансформв 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. экраннрующим шинам 19 накопителя 3, Кроме того, числовые шины 17 и экра нирующие шины 19 накопителя 3 через резисторы 29 подсоединены к шине 30 источника напряжения смещения, а экраннруюшне шины 19 дополнительно связаны с шиной 27 нулевого потенциала через фй нормально замкнутые контакты 31 электрических реле, управляющие входы которых соединены со штепселем 9. Шгепсели 11 устройства соединены между собой и со штепселем 10 посредством обшей 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 (спонтанной) поляризации Р участков сетнегоэлекгрической пьезокерамики пластин 23, расположенных между выбранными входными электродами 16 и экрвнирующими электродами 18 матриц 15 пьеэогрансформвгоров накопителя 3, путем воздействия нв них электрического поля. Перезапись осуществляется при помощи автономного устройства электрической перезаписи информации, которое посредством шин связи, например кабеля связи алиной до 10 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 нв штепсель 10 - сигнал нулевого потешивлв. Затем вырабатываются импульсы напряжения поляри- зацииО которые через штепсели 8 и 11 подводятся к числовым 17 и экранирующнм 19 шинам накопителя 3 в соответствии с записываемой информацией. Отметим, что длительности импульсов напряжения Ц и их фронтов значительно, а именно в 10 - 10 раз, превышают аналогичныеэпараметры импульсов напряжения, приклвдываемых к числовым шинам 17 накопителя при считывании информации. Под воздействием электрического поля, созданного между экранируюшими 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 От, равный по амплитуде + 250 В для серийных матриц, подвется через штепсели 11 на все экранируюшие шины 19 и через шгепсели Я навсе, кроме выбранной, числовые шины 17 накопителя 3, а выбранная числовая щинв подключается к шине 27 нулевого потенциала.Таким образом, напряжение + 0 р прикладываетсяк участкам пьезокерамикипластин 23 секций Возбуждения матриц 15 под теми электролами 16, которые связаны с выбранной числовой шиной. Под действием этого напряжения указанные участки пьезокерамики поляризуются в направ пении, соответствующем значению логиче ского "О", т.е. в данном адресе стирает ся ранее записанная информация. Затем производится запись логических " 1" в соответствии с кодом числа. При этом им- % пульс напряжения поляризации + цр прикладывается к выбранной числовой шине 17, а к неВыбранным числоВым шинам приклв дывается импульс напряжения +1/3 0, Зкранирующие шины 19 накопителя, соот. 26 ветствующие тем разрядам кода записываемого числа, в которых имеется логическая 1", подключаются к шине нулевого потенциала, а к остальным экрвнирующим шинам прикладывается импульс нвпря-Рф жения + 2/3 0 р. Вследствие этого к участкам пьезокерамики пластин 23 секций возбуждения матриц 15, обращенным к входным электродам 16, связанным с невыбранными числовыми шинами, прикла- Зф дывается напряжение + 1/ЗЦР или/ЗО, связанным с выбранной числовой шиной, через которые записываются логические О - 1/ЗОр, через которые записываются логические "1" - О р. Под фф действием напряжения -Ор изменяется направление поляризации Р соответствующих участков пьезокервмики пластин 23, т,е. происходит запись логических 1", Пля изменения поляризации Р участков пьеэокерамики пластин 23 напряжения + 1/3 Ор недостаточно, что исключает разрущение информации в невыбранных адресах и запись ложной информации в выбранном адресе. Таким образом, после4 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-РВ 1 - в течении 12 лет после перезаписи),а также значительным количеством возможных цикловОперезаписи - не менее 10 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 соответсьвующем выходе дещифрвторв 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 фронт 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 щин 19 накопителя, в также исключается протекание токов как через конденсаторы 26 в шину 27 нулевого потенциала, так и через емкости генераторных секций (емкости между экранирующичи 18 и выходными 20 электродами) матриц 15 в разрядные шины 21 накопителя, в результате чего на выходах последнего сущест 109634373венно уменьшаются порождаемые сигналом .возбуждения помехи.Вместе с тем, в каждой из матриц 15 накопителя 3 к участку пьеэокерамики пластины 23, расположенному между выб-раиным входным электродом 16 и экрвнируюшим электродом 18, прикладывается перепад напряжений возбуждения О , сформированный на выбранной числовой шине 1 7, За счет явления обратного пьезоэлект- тф рического эффекта этот участок пьезокерамики испытывает деформацию, которая благодаря наличию механической связи передается пьезокервмической пластине 22 генераторной секции матрицы 15,Вследствие явления прямого пьезоэлектрического эффекта нв выходном электроде 20 матрицы 15 относительно ее экранирующего электрода 18, который через конденсатор 26 подключен к шине 27 ну 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. В силу линейности пьезоэлектрического эффекта направление деформации возбуждаемого участка пьезокерамики пластины 23, в следовательно, и знак свободных электри-ческих зарядов на выходном электроде 20 каждой из матриц 15 накопителя 3, однозначно зависит от направления остаточной поляризации Р этого участка пьезокервмики, 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 нв их выходах ф формируются сигналы кода считанного числа, которые через штепсели 7 устройства поступают к потребителю. Затемпозаднему фронту импульсного сигнала обращения выбранный адресный формирователь 13 4 ф и формирователь 14 одновременно подают в накопитель противофвзные импульсы тока одинаковой амплитуды и длительности, полярность каждого из которых противоположна полярности предшествующего ( обу- фф словленного 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 экраиирующега 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 час 1 ности, амплитуда 0выбрана не превышакицей 1/5 0, а длительность импульсного напряжения, приклвдываемого к числовой шине 1.7 накопителя, в цикле считывания информации - практически в 10 раза меньше, чем в цикле перезаписи.Отметим также, что в силу существен" ного различия частотных диапазонов сигнвнов 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 конденсвгоры 24 служат для защиты формирователей 13 от разрушения их импульсами напряжения поляризации Ор, поступающими на числовые шины 17 накопителя при перезаписи информации. Конденсаторы 26 обеспечивают связь экранируюших шин 19 накопителя с шиной 27 нулевого потенцйвла, что необходимо в режиме считывания информации, и не исключают подачу на эти шины 19 импульсов напряжения поляризации Ор при перезаписи информации, от воздействия которых, в свою очередь, формирователь 14 защищен констэуктивными емкостями между входными электродами 16 и экрвнирующим электродом 18 секции возбуждения матрицы 28, а усилителя считывания 25 - конструк-.тивными емкостями между экрвнирующими электродами 18 и выходными элекгродами 20 генервторных секций матриц 15 накопителя.Вместес тем, в режиме хранения информации участки пьеэокерамики пластины 23 матриц 15 накопителя принудительно находятся под нулевым напряжением в силу подключения числовых 17 и экранирующих 19 шин накопителя через резисторы 29 (порядка единиц МОМ) к одному источнику напряжения смещения (шина 30). Контакты 31 элект. ромеханических реле и общая шина 32 снижают динамическое сопротивление и повышают надежность связей экранирующих шин 19 накопителя с шиной 27 нулевого потенциала, т.е. элементы связи634373 12оком температурном диапазоне от -60 Сдо + 125 С. 26, 31 и 32 совместно исключают недостатки, присущие каждому из них в отдельности. Следует также отметить, чтов случае применения сегнетоэлектричеоких пьеэотрансформаторных запоминающих Мэлементов с уровнем напряжения перезаписи информации, не превышающим максимально допустимое напряжение для электронных схем адресных формирователей 13,последние кроме сигналов считывания фор- Юмируют также и сигналы перезаписи, подаваемые на числовые шины 17 накопителя, что позволяет устранить из устройства штепсели 8 (адресные управляющиешины записи), а в качестве элементов . 1 фсвязи между выходами адресных формирователей 13 и числовыми шинами 17 накопителя вместо конденсаторов 24 использовать шины связи,В силу изготовления сегнетоэлектри- ффческих пьеэотрансформаторных матрицметодами интегральной технологии достижение в описанном устройстве требуемойстепени точности равенства входных конструктивных емкостей ЗЭ однотипных Иматриц 15 и матрицы 28, которое, в .свою очередь, зависит от индентичности .размеров входных электродов 16, а также от равномерности толщины и однородности сегнетоэлектрической пьезокерамн- ЗЕки пластин 23 матриц, не вызывает зат-руднений. Достигнутое .при изготовленииравенство входных конструктивных емкостей ЗЭ матриц 15 и разделительных элементов матрицы 28 сохраняется в широ- ф Формула изобретения Полупостоянное запоминающее устройство с электрической перезаписью инфор.мации, содержащее дешифратор, выходыкоторого подключены к одним входам адресных формирователей, другие входы которых соединены со входом формироввтеля противофаэных сигналов возбужденияи 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 другиеэлементы 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 электродыкоторых подключены к выходу формирователя противофазных сигналов возбуждения,а входные электроды - к соответствующимэкранирующим шинам накопителя,Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе:1. Патент США % 3462746,кл. 340-173.2, 1969,2. Авторское свидетельство Мо 481067,кл. Я 11 С 11/00, 1975.634373 Состав В, Рудаковндрейко Кор Власенко каз 6772/52 ЦНИИТираж Государственного по делам изо 35, Москва, Ж филиал ППП "Патент, г, Ужгород, ул. Проектнв дактор Н. Мепуришвили Техред 675 Подписноекомитета Совета Министров бретений и открытий5, Рвушсквя нвб., д. 4/5