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智能仪表的数字化的原理主要是数模转换,可是要进行数模转换,离不开运算和存储。市面上大多仪表厂家用的是EEPROM 等较早期的非易失性内存技术,而我们用的是铁电(FRAM)。到底哪一个更具有优势呢,下面带大家一起来认识了解下吧!
铁电存储技术早在1921年提出,直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4K位的铁电存储器FRAM产品,目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。近几年,FRAM又有新的发展,采用了0.35 um工艺,推出了3V产品,开发出“单管单容”存储单元的FRAM,密度可达256K位。
铁电存储器
简介:
铁电存储器(FRAM,ferroelectric RAM)是一种随机存取存储器,它将动态随机存取存储器(DRAM)的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力(就像其他稳定的存储设备一样,如只读存储器和闪存)结合起来。由于铁电存储器不像动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)一样密集(即在同样的空间中不能存储像它们一样多的数据),它很可能不能取代这些技术。然而,由于它能在非常低的电能需求下快速地存储,它有望在消费者的小型设备中得到广泛地应用,比如个人数字助理(PDA)、手机、功率表、智能卡以及安全系统。铁电存储器(FRAM)比闪存更快。在一些应用上,它也有可能替代电可擦除只读存储器(EEPROM)和静态随机存取存储器(SRAM),并成为未来的无线产品的关键元件。
技术特点:
首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术,浮动栅存储单元包含一个电隔离门,浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料,通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作,从而确定存储单元是在 ”1”或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压,迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能,因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元,从而造成有限的擦写存储次数(例如:闪存约十万次,而EEPROM则约1百万次)。
铁电技术和工作原理
铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器,是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体,如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时,中心原子顺着电场停在低能量状态I位置,反之,当电场反转被施加到同一铁晶体管时,中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴,铁电畴在电场作用下形成电荷。铁电畴在电场下反转所形成的电荷较高,铁电畴在电场下无反转所形成的电荷较低,这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。
特别是当移去电场后,中心原子处于低能量状态保持不动,存储器的状态也得以保存不会消失,因此可利用铁电畴在电场下反转形成高电荷,或无反转形成低电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场,仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态;也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除,因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据,写入速度快且具有无限次写入寿命,不容易写坏。所以,与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较,铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。
原理
FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储,铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时,晶体中心原子在电场的作用下运动,并达到一种稳定状态;当电场从晶体移走后,中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶,中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置,因此FRAM保持数据不需要电压,也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振特性,与电磁作用无关,所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件诸如磁场因素的影响,能够同普通ROM存储器一样使用,具有非易失性的存储特性。
FRAM的特点是速度快,能够像RAM一样操作,读写功耗低,不存在如E2PROM的写入次数的问题。但受铁电晶体特性制约,FRAM仍有访问(读)次数的限制。
结束语
总之,FRAM产品为我们提供了可使用的存储器的一种新选择,在原来使用E2PROM的应用中表现会更出色,为某些原来认为需要使用SRAM和E2PROM的应用系统找到一种新的途径。铁电已经解决了访问次数的限制,已可成为所有的嵌入式和通用式存储器。
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