铁电存储器的原理及应用.docx

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铁电存储器的原理及应用

Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器FM25H20

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2008-4-17 阅读：

879

Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器，采用8脚TDFN（5.0x6.0mm）封装。

FM25H20采用先进的130纳米CMOS工艺生产，是高密度的非易失性F-RAM存储器，以低功耗操作，并备有高速串行外设接口（SPI）。

该3V、2Mb串行F-RAM器件以最大的总线速度写入，具有几乎无限的耐用性，通过微型封装提供更大的数据采集能力，使系统设计人员能够在计量和打印机等高级应用中减少成本和板卡空间。

　　FM25H20是串行闪存的理想替代产品，用于要求低功耗和最小板卡空间的精密电子系统中，包括便携式医疗设备如助听器等，它们实际上是微型数据处理器，但受到空间有限及功耗低的限制。

与闪存相比，F-RAM的优势包括大幅降低工作电流、写入速度更快、写入耐用性更比闪存高出多个数量级。

　　Ramtron战略市场拓展经理DuncanBennett解释道：

“对于那些需要在其新一代应用中提高数据采集能力，却不增加板卡空间的计量和打印机客户而言，这款2Mb串行F-RAM是自然的产品延伸。

FM25H20以相同的小占位面积，为半兆位串行F-RAM客户提供高达四倍的存储能力。

除提升现有系统外，这种技术发展还推动F-RAM进入多个需要低功耗存储器而空间严重受限的新兴市场，如便携式医疗设备。

”

　　FM25H20是256Kx8位非易失性存储器，以高达40MHz的总线速度进行读写操作，具有几乎无限的耐用性、10年的数据保存能力，以及低工作电流。

该器件设有工业标准SPI接口，优化了F-RAM的高速写入能力。

FM25H20还备有软件和硬件写保护功能，能避免意外的写入与数据损坏。

　　该2Mb串行F-RAM以低功耗工作，在40MHz下读/写操作的耗电低于10mA，待机状态下耗电为80μA（典型值），超低电流睡眠模式下耗电为3μA（典型值）。

FM25H20与同等串行闪存器件接脚兼容，并且具备快速存取、高耐用性和低工作电流等特性，比较闪存更为优胜。

该器件在整个工业温度范围内（-40℃至+85℃）于2.7至3.6V电压下工作。

　　FM25H20以德州仪器|仪表公认的130纳米CMOS制造工艺为基础。

在标准CMOS130nm逻辑工艺内嵌入非易失性F-RAM模块，仅使用了两个额外的掩模步骤。

　　供货

　　FM25H20现提供样品，并采用符合RoHs要求的8脚TDFN封装，与8脚SOIC封装器件占位面积兼容。

铁电存储器的原理及应用

摘要：

本文主要介绍了铁电存储器FM20L08的原理及应用。

该存储器不仅克服了EEPROM和Flash存储器写入时间长、擦写次数少等缺点，而且增加了电压监控器和软件控制的写保护功能，1MB的存储容量足以替代静态随机存储器。

介绍FM20L08的引脚功能和工作原理，并在此基础上给出基于FM20L08的高速数据存储系统的设计方案及与单片机的接口电路。

关键词：

铁电存储器；FM20L08；高速数据记录；应用

1引言

在一些需要下位机单独工作的场合（如汽车行驶记录仪、高速存储测试设备等），其数据的高速存储和掉电不丢失尤为重要。

Ramtron公司推出的FM20L08型非易失性铁电存储器除具有其他铁电存储器的一般特点外，弥补了已有铁电存储器存储量小的缺点，其数据存储量达lMB，可完全替代标准异步静态随机存储器（SRAM）。

2FM20L08的特点和引脚功能

FM20L08型非易失性铁电存储器的存储容量为128Kx8位，可无限次擦写，掉电后数据可保存10年，工作电压为3V，最大功耗电流为22mA，采用32引脚TSOP型封装。

图1示出FM20L08的引脚排列，表l示出FM20L08的主要引脚功能。

   FM20L08内存分为8个页面，每个页面可分为16Kx8bit，由地址总线的低3位选择不同的页面。

新增加的页面操作模式的操作速率为33MHz。

FM20L08增加了软件控制写保护功能，存储序列按地址排成8个区域，每个区域都能通过软件单独设置写保护，不需要其他硬件或改变引脚排列。

   FM20L08新增内部电压监控器驱动LVL（LowVoltageLockout）信号，用于监控电源的供电情况。

当电源电压下降到临界值以下时，LVL输出低电压信号，显示电路处于写保护状态。

LVL信号处于低电平时，存储器可以自动阻止无意读写和防止存储页面数据的破坏。

3FM20L08工作原理

3.1页面操作模式

   FM20L08给用户提供快速访问任意页面的操作，而且对页面的访问不需要CE信号有效。

对于页面模式读操作，只要数据位连在总线上，通过地址总线低3位选择不同页面，便可读取存储器上的数据。

对于页面模式写操作，需要第1个写脉冲定义第一次写操作。

当CE为低电平时，写脉冲连同1个新的地址进行页面模式写操作。

图2示出页面模式读操作时序。

图3示出页面模式写操作时序。

3.2电压监控器

   FM20L08内部的电压监控器不断检测电源电压，当VDD低于临界指示电压VTP时，LVL输出低电平信号，存储器处于受保护状态，阻止电源电压太低和无意干扰信号访问存储器。

这并不代表LVL信号可以用于系统复位，因为系统主机可能在低于电路特殊电压时进行写操作。

LVL引脚用于存储器是否闭锁的状态指示。

电源电压超过门限电压VTP时要经历延时tPULV后LVL才变高电平，在这个时间段里存储器可以被访问。

3,3软件写保护

   存储器128Kx8位的地址空间有8个区域，每个区域的地址空间为16Kx8位。

每个区域独立进行软件写保护，而且是非易失性的。

写保护由8位数据组成，具体分区如表2所示。

首先在规定地址置入数据，写保护区域标志位为高电平；其后在另一规定地址置入数据，写保护区域标志位为低电平；再在规定地址写入任意数据并返回普通模式。

对区域O、l、4的写保护过程如表3所示。

4FM20L08的应用

   在对爆炸过程中的温度、冲击波和压力等参数进行实时采集和记录时，为了更好地了解爆炸过程的情况，必须有高速的数据采集和大量的数据存储作保证。

铁电存储器的高速写入和掉电数据不丢失特性完全适合此类情况，但以往的铁电存储器最大容量只有256KB，单个存储器无法对整个作用过程进行记录，FN20L08正好解决了存储容量小的问题。

爆炸前在目标区域放置多个数据采集系统，接通电源，启动单片机内部程序，等待信号出现。

起爆后，冲击波传感器和温度传感器将被测信号经调理电路送入单片机，单片机首先判断输入信号值是否大于门限值，只有输入信号值大于门限值才能存储在铁电存储器的存储单元内，并在一定时间后关闭存储器。

试验完毕，工作人员可将采集到的数据在PC机上显示。

图4示出由单片机控制FM20L08的原理图。

5结束语

   本文介绍了FM20L08铁电存储器的原理及应用，给出了测量爆炸过程温度、冲击波信号的应用及单片机控制的硬件电路。

该设计可以直接或稍加改动移植到汽车行驶存储测试系统等类似的系统中。

用该电路作为测量爆炸参数的设备，具有写入速度快、数据存储容量大、可靠性高等优点。

模拟试验证明可以满足测量要求，可以实现现有爆炸试验过程的数据记录，具有较高的经济效益。

铁电存储器的三个典型应用

摘要:

铁电存储器（FRAM）以其非挥发性,读写速度块,擦写次数多,和低功耗等特点被广泛应用各行各业.文章首先介绍铁电的原理,之后分别介绍铁电储存器在电表,税款机,和电子道路收费系统的典型应用.

       关键词:

铁电储存器,应用

       1    铁电储存器的原理

       上图是铁电的原子结构图.当一个电场施加到铁电晶体时,中心原子会顺着电场的方向在晶体里移动.当原子移动通过一个能量壁垒时,会引起电荷击穿.内部电路感应到电荷击穿并设置储存器.移去电场后,中心原子保持不动,储存器的状态也得以保存.铁电储存器不需要定时更新,调电后数据却能够继续保存,速度快而且不容易写坏.铁电储存器就是根据该原理设计而成.

2   铁电储存器的典型应用

2.1   铁电存储器在电表存储中的应用

2.1.1   概述

       在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。

目前应用最多的方案仍是SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM这三种。

但这三种方案均存在着缺陷。

其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM的可擦写次数较少（约100万次），且写操作时间较长（约10ms）；而NVRAM的价格问题又限制了它的普及应用。

因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。

由于所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。

你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。

所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。

       鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器（FRAM）。

铁电存储器具有以下几个突出的优点：

       i.   读写速度快。

串口FRAM的时钟速度可达20MHz，并口FRAM的访问速度达70ns，几乎无须任何的写入等待时间，可认为是实时写入，所以不用担心掉电后数据会丢失；

       ii.   擦写次数多。

一般认为FRAM的擦写次数为100亿次，而最新的铁电存储器的写入次数可达一亿亿次，这几乎可以认为是无限次；

       iii.   超低功耗。

FRAM的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。

2.1.2   FM25640与MCU的连接图

       上图是一款适用于电表设计的方块图，其MCU还具有一个带有红外功能的串行通信接口SCI，一个高速SPI，8个键盘输入中断，以及内部LCD驱动模块，因而节省了外挂液晶驱动芯片。

系统中的电能计量芯片使用ADI公司的三相电能计量芯片ADE7755/8，该芯片精确度高，可以提供有功功率、无功功率、视在功率、电压有效值和电流有效值等多项数据，具有两路脉冲输出，同时也带有SPI串口。

由于SPI接口可支持多个器件挂在同一个总线上，并可通过片选信号区分每一个器件，因此，将FM25640和ADE7755/8都通过SPI接口与单片机相连，并将MCU的两个I／O口分别与FM25640和ADE7755/8的片选端CS相连接，就可以实现片选。

       2.1.3   工作过程

       本电表系统上电复位后，首先将进行一系列的初始化操作，包括单片机的时钟发生模块的寄存器设置、系统时钟的选择、I／O口输入输出的设置、SPI的控制寄存器的初始化、以及开中断允许等。

然后再进行ADE7755/8的模式设置。

在这些初始化工作完成后，ADE7755/8便开始将检测到的各个电能数据存放在相应的内部寄存器中。

单片机通过I／O口给ADE7755/8的CS端一个低电平，即可选中ADE7755/8，之后再由ADE7755/8把电能数据通过SPI接口传输到单片机的RAM中。

单片机在对数据进行处理后，再通过I／O口给FM25640的CS端一个低电平，以选中FM25640，同时调用写数据的子程序，将数据存储到FM25640中去