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nand与门我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2024-11-26

作者 : 小编

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我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

ADALM2000实验：TTL逆变器和NAND门

自20世纪60年代首次生产出集成逻辑门以来，各种数字逻辑电路技术层出不穷。本次实验将研究晶体管-晶体管逻辑(TTL)电路逆变器（非门）和2输入NAND门配置。

背景知识

TTL逆变器的原理图如图1所示。此电路克服了单晶体管逆变器电路的局限性。基本TTL逆变器由三级组成：电流导引输入、分相级和输出驱动级。

图1. TTL逆变器

输入级晶体管Q1执行电流导引功能，可以将它视为背靠背二极管布置。晶体管以正向或反向模式工作，使电流流入或流出第二级晶体管的基极Q2。正向电流增益ßF远大于反向电流增益ßR。关断时，它提供更高的放电电流来给基极放电。

图2. 输入电流导引级的等效电路

图1中的第二级晶体管Q2使用分相器来驱动上拉和下拉输出级的两半。它允许以相反相位产生输入条件，从而可以反相驱动输出晶体管。这样，Q4关断时Q3可以导通，反之亦然，

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如图3所示。

图3. 分相级

输出晶体管对Q3和Q4与二极管D1一起被称为图腾柱输出，如图4所示。这种输出配置提供了主动拉电流或灌电流的能力，对于驱动容性负载很有用。电阻R4用于限制VCC提供的电流。在稳态条件下，一次只有一个晶体管导通。

图4. 输出级

二极管D1用于提高Q4的有效导通电压，使其能够在Q3完全导通之前关断。这有助于防止逻辑状态转换期间潜在的大浪涌电流流入输出级。电阻R4还用于限制输出级中允许流动的电流。缺点是逻辑高电平会降低，降幅为二极管压降，如图11所示。

材料

● ADALM2000 主动学习模块

● 无焊试验板

● 跳线

● 一个100 kΩ电阻

● 一个2.2 kΩ电阻

● 一个470 Ω电阻

● 一个100 Ω电阻

● 一个小信号二极管(1N914)

● 五个小信号NPN晶体管（2N3904和/或SSM2212）

TTL逆变器

说明

ADALP2000 模拟部件套件随附五个2N3904 NPN晶体管。较旧的套件可能包含一对匹配的SSM2212。所示的建议试验板布局是针对SSM2212连接。如果只使用2N3904器件，请根据需要更改布局。

在无焊试验板上构建图5所示TTL逆变器电路。如果使用SSM2212 NPN对，它只能替代Q3和Q4（输出级），因为其基极和发射极端子上有内部保护二极管用以防止反向偏置。

图5. TTL逆变器

硬件设置

将电路连接到ADALM2000输入/输出连接器，如图5所示。对于未使用的示波器负输入，在不使用时最好将其接地。

试验板连接如图6所示。

图6. TTL逆变器试验板电路

程序步骤

将波形发生器W1配置为具有0 V偏移和6 V幅度峰峰值的100 Hz三角波。在x-y模式下使用示波器观察电路的电压传输曲线。

图7. TTL逆变器传输曲线

TTL NAND门

说明

给TTL逆变器再增加一个输入，便得到一个TTL NAND门。按照图8所示连接TTL逆变器电路。

图8. TTL 2输入NAND门

硬件设置

将电路连接到ADALM2000 I/O连接器，如图8所示。对于未使用的示波器负输入，在不使用时最好将其接地。

试验板连接如图9所示。

图9. TTL 2输入NAND门试验板电路

程序步骤

将波形发生器W1配置为具有0 V偏移和6 V幅度峰峰值的100 Hz三角波，将W2配置为具有0 V偏移、6 V幅度峰峰值和90°相位的100 Hz三角波。

使用示波器观察电路的输出Ch2。

图10. TTL NAND门输出波形

测量

传输特性

通过施加缓慢上升的输入电压，并确定相对于每个晶体管的导通状态变化而发生的事件序列以及这些变化发生的临界点，可以推导出TTL逆变器的传输特性。考虑图11所示的电路输入与输出传输特性曲线。

图11. TTL逆变器输入与输出传输曲线

断点P1

当输入接近0 V且基极电流提供给Q1时，该晶体管可以在正向模式下导通。集电极电流的唯一来源是Q2的漏电流，因此Q1将被驱动到饱和状态。这确保了Q2关断，进而又意味着Q3关断。在没有负载的情况下，输出级中有漏电流流动，这使得晶体管Q4和二极管D1在导通状态下几乎不传导电流。

断点P2

随着输入电压略微增加，上述状态一直持续，直到（在Q1导通并处于饱和状态的情况下）Q2基极的电压上升至导通点。则

断点P3

随着输入电压进一步增加，Q2传导更多电流，从而完全导通。Q2的基极电流由Q1的基极-集电极结（现在是正向偏置）提供，Q1仍处于饱和状态。最终，Q3达到导通点。这发生在：

请注意，当晶体管Q3刚刚导通时，VBE3 = 0.6 V，这意味着流过R3的电流为0.6 V/470 Ω = 1.27 mA。在线性活动区工作时，Q2的集电极电流为0.97 mA × 1.27 mA = 1.23 mA。

R2两端的电压降即为VR2 = 1.23 mA × 2.2 kΩ = 2.7 V。

在这种情况下，Q2上的集电极到发射极电压降为：

这证实了Q2仍在正向活动模式下运行。

随着Q3开始导通，电流通过Q4和二极管D1的传导路径，随后完全导通。这种情况下：

断点P4

随着输入电压进一步增加，Q2传导更多电流，最终进入饱和模式。Q3也传导更多电流，最终达到饱和点。当Q2传导更多电流时，其集电极电流增加。这导致R1两端的压降增加，意味着Q2上的电压（即VCE2）下降。当此电压降至Q4和二极管D1导通所要求的电压以下时，二者均关断，然后Q3饱和。

当Q3达到饱和边缘时：

问题：

1. 典型TTL逻辑门的输出电路通常被称为图腾柱输出，原因是其两个输出晶体管相互堆叠，就像图腾柱上的雕像一样。具有图腾柱输出级的门电路能否提供负载电流、吸收负载电流或既能提供又能吸收负载电流？

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

ADALM2000实验：TTL逆变器和NAND门

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