SRAM存儲器的工作原理

SRAM也是易失性存儲器，但是，與DRAM相比，只要設(shè)備連接到電源，信息就被存儲，一旦設(shè)備斷開電源，就會失去信息。

這個設(shè)備比DRAM要復雜得多，它一般由6個晶體管組成，因此被稱為6T存儲器(如圖1)。

SRAM的每一bit存儲在由4個場效應(yīng)管M1,M2,M3,M4構(gòu)成的兩個交叉耦合的反相器(如圖1中深灰色的部分)中。另外兩個場效應(yīng)管（M5,M6）是存儲基本單元到用于讀寫的位線（Bit Line）的控制開關(guān)。這種設(shè)置，是典型的CMOS工藝，相當于一個“RS鎖存器”電路(如圖2)，只要系統(tǒng)是穩(wěn)定的供電狀態(tài)，可以存儲信息‘0’或‘1’(即:邏輯等效的低或高電壓)。

圖1 6晶體管SRAM存儲器的功能圖

圖2 SRAM存儲器的等效電路圖

根據(jù)上圖可以看出，一個6晶體管SRAM存儲器包括由交叉逆變器M1-M2和M3-M4構(gòu)成的鎖存器和兩個存取晶體管M5和M6。M1-M2逆變器的輸入信號Q與M3-M4逆變器的輸出相連接，M3-M4逆變器的輸入信號Q_與M1-M2逆變器的輸出反向連接。M5和M6晶體管類似于由字線WL驅(qū)動的兩個開關(guān)，該開關(guān)同時使這些晶體管的柵極極化，并允許兩位線BL讀取存儲的信息。

存儲在鎖存器中的兩個二進制信號Q和Q_(‘0’和‘1’或‘1’和‘0’)通過兩個存取晶體管M5和M6(淺灰色區(qū)域)傳輸?shù)絻蓚€位線(B_L_和BL)，M5和M6(淺灰色區(qū)域)由連接到M5和M6的每個柵極的字線WL打開或關(guān)閉。

存儲器的操作可以概括為三個功能：備用、讀、寫或擦。

備用功能對應(yīng)于鎖存器中信息‘0’或‘1’的保持，是通過字線(WL)在兩個N型MOSFET M5和M6的柵極處施加負電壓或低電壓，使它們不導電的狀態(tài)，相當于將鎖存器與兩個位線(BL)隔離。這就實現(xiàn)了鎖存器里面的信號不變的狀態(tài)。

而另一方面，讀取操作則是通過將鎖存器與兩個位線(BL)通信來獲得的。連接到兩個位線BL的感測放大器(不在這里進行闡述)識別哪一行具有更強的信號，從而讀取由位線BL攜帶的初始信息。感測放大器是連接到兩個互補的位線(‘0’和‘1’)兩端的電子器件，其功能是在放大兩個位線之間的電壓差后，識別其中哪個具有‘0’或‘1’的邏輯狀態(tài)。

寫入和擦除操作則是通過打開晶體管M5和M6的通道和在兩個位線BL上施加‘0’和‘1’來實現(xiàn)的。

從實際角度來看，SRAM存儲器速度非?？欤瑩Q相時間只有數(shù)十納秒，這使得它們比DRAM快10倍。對于DRAM來說，循環(huán)次數(shù)(寫——擦除)幾乎是無限的(>10 ^16^ )。雖然SRAM在切斷電源時是易失信息的，但它不需要定期更新，使它在能耗方面比DRAM更有利。但不幸的是，SRAM的復雜性使得它們的制造成本很高，而且它們的大尺寸(面積>140 F ^2^ )不允許高的集成密度。因此，它們在計算機中的使用僅限于低容量的高速緩存內(nèi)存，用于高速執(zhí)行重復操作，從而大大縮短了復雜操作的執(zhí)行時間。

附加介紹：

CMOS反相器是一種電路器件，其輸出是輸入的邏輯非，即：它給出與輸入信號IN相反的輸出信號OUT。對于邏輯數(shù)據(jù)，是通過輸入和輸出電壓轉(zhuǎn)換成邏輯數(shù)據(jù)‘0’和‘1’來實現(xiàn)的。因此，輸入低的“IN”電壓信號(編碼‘0’)，我們將得到一個強的“輸出”電壓信號(編碼‘1’)，并且，如果“IN”是強的(‘1’)，則“OUT”是低的(‘0’)。

如圖所示，CMOS靜態(tài)反相器，采用倒置CMOS工藝，由兩個互補的MOSFET組成，將N型和P型MOSFET的串聯(lián)組合，即將P-MOSFET的源與N-MOSFET的漏極連接起來。P-MOSFET的漏極被引入一個電壓V DD (邏輯信號‘1’)，而N-MOSFET的源被接地(邏輯信號‘0’)。這兩個柵極互相連接，輸入信號“IN”被應(yīng)用到它們身上。輸出信號‘OUT’分別在P和N-MOSFET的源和漏點測量(如上圖)。則當輸入低電平，則P溝道場效應(yīng)管開通，N溝道場效應(yīng)管關(guān)閉，輸出高電平；當輸入高電平，N溝道場效應(yīng)管開通，P溝道場效應(yīng)管關(guān)閉，輸出低電平。這就實現(xiàn)了“反相”輸出。

從象征意義上說，逆變器由(b)表示，其中A是輸入信號，A_是輸出信號。

CMOS逆變特性

當柵極電壓較低(IN=‘0’)時，N和P晶體管的通道分別關(guān)閉和打開，這意味著輸出信號處于電壓V DD ，因此OUT=‘1’(c)。

相反，當柵極電壓較高(IN=‘1’)時，P和N晶體管分別為非導電(開)和導電(閉合)，從而導致輸出直接接地，從而使輸出。