KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS
.pdf
изменение намагниченности наблюдается у многих сердечников, количество их тем больше, чем больше объем памяти. Эти напряжения, складываясь в проводе считывания, создают внутреннюю помеху. Для уменьшения ее действия нужно увеличивать коэффициент Br / Bm ; он должен составлять не менее 0,9 . . . 0,95. Существуют различные способы ослабления влияния этих помех с использованием стробирования и специальной последовательности прошивки сердечников проводом считывания [43].
Элементы ПЗУ на ферритовых сердечниках. Рассмотренные выше элементы ЗУ на ферритовых сердечниках с ППГ могут быть использованы не только в ОЗУ, но и в ПЗУ, так как намагниченность сердечника может сохраняться сколь угодно долго и не изменяться при отключении питания. Однако лучше, исходя из требований по массе, габаритам и стоимости, в ПЗУ использовать элементы ЗУ на магнитных сердечниках с непрямоугольной петлей гистерезиса. Более того, желательно, чтобы эта петля, как бут показано ниже, была выражена наиболее слабо.
На рис 7.6 иллюстрируется принцип действия ПЗУ при четырех разрядах. На нем изображена линейка сердечников и обозначено: 1, 2, 3, 4 – обмотки и провода считывания (Пр. сч) 1-, 2-, 3-, и 4-го разрядов; с1, с2, с3, с4 – сердечники; Пр. зап – провод запроса, для примера прошивающий сердечники с2 и с3 и проходящий мимо сердечников с1 и с4. Н – напряженность магнитного поля, возбуждаемое током Iзап , протекающим по проводу запроса. В соответствии с рис. 7.6 записано четырехразрядное число 0110. Это значит, что при запросе, поступающем на провод запроса (Пр. зап), на выходе Пр. сч1 не должно быть сигнала, на Пр. сч2 и Пр. сч3 должна появится ―1‖ и на Пр сч4 сигнал должен отсутствовать (―0‖). Достигается это тем, что сердечники особым образом прошиты проводом (Пр. зап), по которому проходит импульс запроса. Если провести этот провод через отверстия всех сердечников, то на проводах считывания во всех разрядах появится импульс тока. Для работы такого элемента ЗУ не требуется ППГ, при которой в сердечнике может сохраняться намагниченность. Для того чтобы работа проходила нормально, намагничивание и размагничивание в сердечнике должны происходить без
211
существенных остаточных явлений. Поэтому в ПЗУ применяются сердечники из специальных сортов феррита.
Рассмотрим, как на основе таких элементов можно создать ЗУ большой емкости. Для этого используют много линеек сердечников, пронизанных проводами, каждая из которых содержит число сердечников, соответствующее разрядности записанного числа. Чтобы увеличить количество записываемых чисел, можно в каждой линейке сердечники пронизать большим числом проводов запроса, каждый из которых будет в своей комбинации обходить или пронизывать сердечники. В некоторых случаях это количество проводов можно доходить до 200 … 300, причем размеры сердечников должны быть много больше, чем сердечников с ППГ. Они имеют обычно наружный диаметр до 10 мм. Прошивка линейки большим числом проводов нежелательна, поскольку приходится увеличивать размеры сердечника, что приводит при случайном расположении проводов по сечению сердечника к значительным колебаниям уровня считываемого сигнала. В некоторых случаях требуется создание ПЗУ на ферритовых сердечниках на большее число разрядов и слов. Тогда надо использовать несколько линеек и структура ЗУ будет иметь вид, приведенный на рис 7.7, где с1, с2, с3, сn – сердечники (n сердечников).
Код адреса поступает на ЗУ и должен указывать ту линейку и тот провод в линейке, для которого нужно считать записанное число. Для этого от регистра адреса (РГА) импульс тока поступает на дешифратор ДШ линейки (k линеек) и затем на дешифратор строки (s строк). В результате действия дешифратора сигнал запроса подается только на один провод из всей системы. На выходах проводов считывания Пр. сч1, Пр. сч2, количество которых равно количеству разрядов записанного числа, появятся сигналы при записи ―1‖ или отсутствуют сигналы при записи ―0‖. Детекторы Д необходимы для того, чтобы обеспечивалось малое сопротивление прохождению считанного импульса с той линейки, в которой записано требуемое число, и имелось бы большое сопротивление для тока обратного направления. Это препятствует воздействию считанного импульса на другие линейки. Запись в такое устройство должна производиться при изготовлении ПЗУ. Всякая смена записи информации требует размонтажа ПЗУ и прошивания сердечников в другой последовательности. Это ограничивает применение ПЗУ на ферритовых сердечниках, хотя по удельным характеристикам (стоимости хранения одного бита, массе и габаритам на 1 бит) они несколько лучше, чем ОЗУ на ферритовых сердечниках. В настоящее время такие ПЗУ и ОЗУ применяются все меньше, но они имеют принципиальное преимущество перед другими ЗУ – устойчивы к действию радиации.
212
7.4 ЭЛЕМЕНТЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ДОМЕНАХ
Физическая сущность цилиндрических магнитных доменов как динамической неоднородности. Цилиндрический магнитный домен (ЦМД) представляет собой локальную область (динамические неоднородности) в магнитной пленке с одноосной анизотропией, вектор намагниченности которых направлен противоположно вектору намагниченности пленки. Эта неоднородность динамическая, так как ее можно создавать, стирать и передвигать. Следовательно, ЗУ на ЦМД является устройством функциональной электроники. На рис. 7.8 1 – пленка; 2 – ЦМД; 3 – магнитное поле рассеяния ЦМД. В современных конструкциях ЦМД формируют в эпитаксиальных феррит-гранатовых пленках, выращенных на поверхности немагнитных гранатовых подложек [42].
213
Рассмотрим физические процессы, приводящие к появлению динамической неоднородности, т. е. к домену. При отсутствии внешнего подмагничивающего поля – поля смещения – в пленке существуют полосовые домены произвольной формы, разделенные доменными стенками (рис. 7.9,а); суммарные площади противоположно намагниченных доменов равны. Если подложку с феррит-гранатовой эпитаксиальной пленкой поместить во внешнее магнитное поле смещения Hсм , направленное перпендикулярно ее
поверхности, то доменные стенки смещаются. Полосовые домены, у которых вектор их намагниченности совпадает с направлением поля смещения, расширяются за счет сужения доменов с противоположной намагниченностью (рис. 7.9,б). Дальнейшее увеличение Hсм приводит к
разрыву полосовых доменов и образованию доменов цилиндрической формы (рис. 7.9,в). Обозначим это поле Hгр - граничная напряженность поля. При
дальнейшем росте Hсм диаметр ЦМД уменьшается. При некотором значении Hсм Hкр ( Hкр – критическая напряженность поля) происходит исчезновение
доменов, и пленка становится однородно намагниченной вдоль направления Hсм (рис. 7.9,г). В диапазоне магнитных полей от Hгр до Hкр диаметры ЦМД
изменяются от dmax до dmin . Рабочее поле смещения Hсм.раб ограничено:
Hгр Hсм.раб Hкр . Создается оно постоянными магнитами. Диаметр ЦМД 2,5 … 10 мкм. Ширина доменной стенки примерно 0,1 мкм.
214
Интересно и важно то, что ЦМД обладает устойчивостью, если магнитное поле находится в определенных пределах. Он может сохраняться сколько
угодно долго при Hгр Hсм.раб Hкр и может быть |
полностью стерт при |
превышении полем определенного значения, равного |
Hкр . Тогда магнитная |
пленка становится свободной от доменов. Важно также то, что практически исключено самопроизвольное возникновение доменов. Если повышением магнитного поля стереть все домены и вновь вернуть поле в рабочее состояние Hсм.раб , домены возникнуть не могут. Для создания домена
требуется локальное возбуждение сильного магнитного поля [42]. Использование доменов для ЗУ целесообразно потому, что они занимают
очень мало места и устойчивы. Следовательно, потенциально их можно использовать для накопления информации в ЗУ, имеющем вид магнитной пленки, если создать организованную структуру доменов. При этом наличие домена в той или иной точке подложки можно трактовать как запись «1», а отсутствие домена – как запись «0». Однако эта потенциальная возможность накопления информации для своей реализации требует решения многих сложных задач.
Действительно, хаотическое расположение доменов, которое создается, если пленку ввести в магнитное поле при Hсм.раб Hгр , пока еще таких возможностей
не дает. Но домены, хаотически рассеянные по пленке, могут быть уничтожены. Тогда пленка становится свободной для записи информации. Чтобы эту потенциальную возможность реализовать, необходимо: изготовить пленку, обладающую свойствами, позволяющими создавать доменную структуру; сделать возможным освобождение пленки от случайных доменов и затем подготовить ее к записи полезной информации; создать домены, обеспечив такое их расположение, когда каждой записываемой «1» соответствует специально сформированный домен, а каждому «0» – область пленки без доменов; осуществить организованное перемещение доменов по пленке по определенным траекториям, фиксацию их в определенном положении, обеспечив отсутствие взаимного наложения и взаимодействия; обеспечить извлечение записанной информации или считывание информации, т. е. получить возможность преобразования домена в электрический сигнал, который затем может быть использован в вычислительном устройстве.
215
Решение этих вопросов связано с физическими, технологическими и конструктивными трудностями. Однако оно представляет интерес, так как потенциально малые размеры доменов, возможность их независимого существования при расстояниях между центрами доменов, равных примерно трем диаметрам доменов, возможность создания подложек со сторонами порядка 10×10мм из материалов, в которых формируются домены, позволяют уже в настоящее время на одной пленке хранить до 106 бит информации. Полезно начать рассмотрение этих вопросов с фиксации положения и организации перемещения ЦМД, так как, не решив эти задачи, нельзя переходить к другим.
Фиксация положения и организация перемещения ЦМД. Предположим,
что домен создан, и рассмотрим вопрос о том, как он может быть зафиксирован и как организовать его перемещение.
Из изложенного видно, что «уничтожить» домен сложно. Это можно сделать только созданием сильного поля смещения, противоположного полю домена. Также трудно создать домен. Таким образом, домен – очень устойчивая структура, но осуществить его перемещение оказалось просто. Для этого достаточно в пленке, где находится сформированный домен, создать местную неравномерность в магнитном поле смещения. В этом случае домен не разрушаясь, стремится переместиться в направлении минимальной интенсивности поля смещения. Он займет такое положение, при котором его энергия минимальна. Образно говоря, домен как бы сползает в магнитную «яму». Следовательно, чтобы фиксировать положение домена, обеспечить его перемещение к фиксированному положению, нужно получить на этом участке местное магнитное поле, противоположное полю смещения Hсм.раб , т. е.
сформировать местную неравномерность поля, обязательно такую, чтобы она затронула домен. Наибольшее распространение получили магнитостатические ловушки (МСЛ), формируемые на поверхности пленки с использованием тонких проводниковых или магнитных пленок. Принято называть эти пленки аппликациями.
Токовая аппликация имеет вид петли с размером, соизмеримым с доменом. При пропускании по аппликации тока, направленного так, что создаваемое поле противоположно полю в пленке, содержащей домен образуется
область с меньшей напряженностью поля, чем Hсм.раб , но большей, чем Hгр .
Иначе домен, «спустившись» в МСЛ будет переходить в полосовой. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 7.10, где 1-6 – токовые аппликации, в которые поступает управляющий ток Iу в разные моменты времени; 7 –
домен. Домен, находящийся под второй аппликацией, куда он перешел от первой аппликации, при подаче напряжения на третью аппликацию перейдет под нее. Аппликации могут составить линейку по которой одновременно может продвигаться много доменов. Во избежание взаимодействия доменов они должны бить разделены аппликациями. Трехтактность требуется для того, чтобы домен не мог получить возвратного движения как в случае ПЗС.
216
При необходимости осуществления обратного движения доменов, меняется последовательность подачи импульсов управляющего тока на аппликации.
Использование токовой аппликации требует напыления на поверхности пленки большого количества проводников, которыми оказывается занята значительная часть площади пленки. Поэтому большее распространение получило использование магнитных аппликаций. На этом методе фиксации положения и организации перемещения доменов остановимся подробнее.
Рассмотрим пока один домен и предположим, что на поверхности пленки, нанесена аппликация из тонкого слоя пермаллоя. Предположим, что домен находится в центре аппликации (рис. 7.11) – положение 1. Для того чтобы использовать аппликацию для создания МСЛ, по обмоткам электромагнитов пропускают ток, который создает магнитное поле H у , направленное вдоль
поверхности пленки. Это поле перпендикулярно полю Hсм . Существенных изменений в режим домена и пленки, где он сформирован, поле H у не вносит.
217
Но так как поле расположено в плоскости легкого намагничивания аппликации то она намагничивается. При этом формируется внешнее поле аппликации, которое условно показано знаками +++. Частично поле замыкается через воздух, а частично силовые линии поля аппликации, проникая внутрь пленки, замыкаются там. Это поле, на одном конце аппликации противоположно Hсм , а на другом совпадает. Магнитное поле
аппликации Hапп показано на рис. 7.12. Очевидно, что под влиянием
неравномерного магнитного поля домен сместится к одному краю аппликации, где ее поле будет направлено против поля Hсм и займет
положение 2 (рис. 7.11). Сказанное иллюстрирует принцип взаимодействия домена с одной аппликацией [42].
Как подчеркивалось выше, необходимо обеспечить движение многих доменов по линейке, длина которой значительно больше, чем размеры доменов с тем, чтобы они могли продвигаться на расстояние, превышающее их диаметр в тысячи раз. Для этого должна быть создана система аппликаций, образующих линейки на поверхности пленки. Существует много различных форм и видов аппликаций. Для пояснения сущности их действия остановимся только на одном варианте аппликаций, который изображен на рис. 7.13. Для того чтобы обеспечить перемещение доменов по линейке аппликаций, необходимо вращать внешнее магнитное поле НY так, как показано на рис. 7.13. Такого вращения можно добиться подачей токов, сдвинутых по фазе на 900, на две управляющие катушки. Известно, что при этом создается вращающееся магнитное поле с периодом вращения, равным периоду тока. В верхней части рис. 7.13 показаны линейка и начальные положения двух доменов – ЦМД1 и ЦМД2.
Исходя из принципа действия аппликации, рассмотренного выше, очевидно, что при повороте магнитного поля на 900, как это показано на второй строке рис. 7.13, домены подходят под правые концы Т-образных аппликаций. При очередном повороте поля на 900 домены будут захвачены простыми аппликациями. При следующем повороте они будут приняты следующими Т- образными аппликациями и при возврате поля в начальное положение займут устойчивое положение под следующими Т-образными аппликациями. Осуществляя многократное вращение поля, можно продвигать домен от одной секции (сочетание Т-образной и простой аппликаций) линейки к другой на всю длину пленки. При этом большое значение имеет частота тока, создающего вращающиеся поля для продвижения доменов. Чем она выше, тем быстрее продвигается домен. Однако частота должна быть такой, чтобы он успевал перемещаться. Это зависит также и от интенсивности поля. Но интенсивность поля не может быть больше определенной величины, так как иначе домен станет неустойчивым. Частота ограничена тем, что домен затрачивает время на передвижение, причем путь, проходимый им, зависит от его размера, а размеры устойчивых доменов не могут быть меньше нескольких микрометров. Поэтому время, затраченное не перемещение из
218
одной секции в другую, оказывается заметным, и частота вращения поля составляет примерно 0,5 МГц [66].
Рис. 7.13
Процесс продвижения доменов должен иметь место, как при записи информации, так и при считывании. При записи, когда сообщение формирует домен (каждая «1» - один домен), он должен, продвигаясь по линейке, освобождать место для следующего домена. Если должен быть записан «0», то очередной домен не формируется, и условно можно говорить, что по линейке продвигается «отсутствие» домена. Такая процедура должна быть и при считывании, когда домены, продвигаясь поочередно, достигают детектора. Если был записан «0», т. е не было домена в очередном такте, то детектор не вырабатывает сигнала. Если была записана «1», то сигнал на выходе будет.
Зарождение доменов. Локальное зарождение ЦМД производиться под воздействием импульсов тока Ir, пропускаемых по токовой аппликации в виде петли из металлической пленки (рис. 7.14). На рис. 7.14: 1 – токовая
219
аппликация; 2 – изолирующая пленка; 3 – ферритовая эпитаксиальная пленка; 4 – гранатовая подложка; 5 – ЦМД. Генерация ЦМД происходит в том случае, если импульсом тока будет создано локальное размагничивающее поле Нразм, значительно большее по модулю, чем Нсм.раб, но имеющее знак, обратный этому полю. При этом область под аппликацией в пленке перемагничивается и образуется ЦМД с противоположной по отношения к Нсм.раб намагниченностью. Предполагается, что в области аппликации, используемой для зарождения доменов, предварительно домены стерты повышением Нсм.раб до уровня, несколько большего чем Нкр. Это необходимо для того, чтобы в пленке действовали только специально созданные домены. Если домен зародился, то записана «1», если не зародился, то «0».
Чаще зарождение домена, несущего информацию, достигается делением зародышевого домена. При этом предполагается, что предварительно все домены стерты, кроме одного, на основе которого генерируется информационный. Существует много методов генерирования доменов путем деления зародышевого. Рассмотрим один из них. На рис. 7.15, а
изображены: 1 – токовая аппликация, по которой протекает ток удержания Iуд, создающий МСЛ, в которой находится зародышевый домен ЦМДзар; 2 – расщепляющая аппликация, по которой протекает ток зарождения Ir и которая изолирована от аппликации токовой; 3, 4, 5 – магнитные аппликации, используемые для продвижения генерируемого домена ЦМД.
220