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Ratgeber

EEPROM » Speicher in Chipform

Nur-Lese-Speicher – kurz: ROM, aus dem Englischen „Read Only Memory“ – gehören zu den Basisbausteinen der elektronischen Datenspeicherung. Sie sind nichtflüchtig, das heißt, die in ihnen gespeicherten digitalen Werte bleiben auch ohne Stromzuführung erhalten und lassen sich beliebig oft abrufen.
Zu den klassischen ROMs gehören beispielsweise CDs und DVDs. Nachteil dieser Speicher: Sie sind nur einmal beschreibbar und nicht löschbar.

Anders EPROMs. Das EP steht „Erasable and Programmable“, diese Speicher in Chipform sind beliebig oft zu programmieren und zu löschen. Doch zum Löschen der Daten ist UV-Licht nötig. Diese Hürde umgehen EEPROMs. Das zusätzlich E am Anfang bedeutet „Electrically“, also elektrisch – die Daten dieser Chips sind einfach und schnell per Stromstoß zu löschen. Mehr dazu erfahren Sie in diesem Ratgeber.



Wie funktionieren EEPROMs?

EEPROMs finden sich beispielsweise in Computern, in Mikrocontrollern und fernbedienbare schlüssellose Systeme sowie in vielen anderen elektronischen Geräten. Ihre Aufgabe: Sie speichern relativ kleine Datenmengen, indem einzelne Bytes gelöscht und neu programmiert werden können.

Organisiert sind die EEPROM-Elemente als Gruppen von Feldeffekttransistoren mit isolierten Floating-Gates. Durch Anlegen von speziellen Programmiersignalen können sie programmiert und gelöscht werden. Ursprünglich waren EEPROMs auf Ein-Byte-Operationen beschränkt, was sie langsamer machte, moderne EEPROMs erlauben Multi-Byte-Operationen. Die Lebensdauer von EEPROMs zum Löschen und Neuprogrammieren ist begrenzt, erreicht bei modernen EEPROMs inzwischen allerdings mehr als eine Million Schreib- und Löschoperationen. Für Lesezugriffe gilt keine Obergrenze, sie sind beliebig oft wiederholbar.

Ein sehr weit verbreiteter EEPROM-Typ ist der sogenannte Flash-Speicher, enthalten beispielsweise in USB-Sticks, Memory- und SIM-Cards. Flash-Speicher ist auf hohe Geschwindigkeit und hohe Dichte ausgelegt, auf Kosten von großen Löschblöcken und einer begrenzten Anzahl von Schreibzyklen. Es gibt keine klare Grenze zwischen den beiden Typen, aber der Begriff EEPROM wird im Allgemeinen verwendet, um nichtflüchtigen Speicher mit kleinen Löschblöcken und einer langen Lebensdauer zu beschreiben. Viele Mikrocontroller enthalten denn auch beides: Flash-Speicher für die Firmware und ein kleines EEPROM für Parameter und Historie.

EEPROM-Chips verwenden eine serielle oder parallele Schnittstelle für die Ein- und Ausgabe der Daten. Übliche seriellen Schnittstellen sind SPI, I2C, Microwire, UNI/O und 1-Wire. Diese verwenden einen bis vier Gerätepins und ermöglichen Gehäuse mit acht Pins oder weniger.

Ein typisches serielles EEPROM-Protokoll besteht aus drei Phasen: die OP-Code Phase, die Adressphase und die Datenphase. Der OP-Code besteht in der Regel aus den ersten acht Bits, die am seriellen Eingangspin des EEPROMs eingegeben werden, gefolgt von acht bis 24 Bits Adressierung je nach Speichertiefe, dann die Lese- oder Schreibdaten.

Der Betrieb eines parallelen EEPROMs ist im Vergleich zu seriellen EEPROMs einfach und schnell, aber diese Bausteine sind aufgrund der höheren Pinanzahl größer und werden immer seltener zugunsten von seriellen EEPROMs oder Flash-Speicher eingesetzt.



Fehlermöglichkeiten von EEPROMs

Es gibt zwei Einschränkungen der gespeicherten Informationen: Ausdauer und Datenerhalt.

Während des Wiederbeschreibens sammelt das Gate-Oxid in den Floating-Gate-Transistoren allmählich eingefangene Elektronen an. Das elektrische Feld der eingefangenen Elektronen addiert sich zu den Elektronen im Floating-Gate, wodurch sich das Fenster zwischen den Schwellenspannungen für Nullen und Einsen verringert. Nach einer ausreichenden Anzahl von Wiederbeschreibungszyklen wird die Differenz zu klein, um erkennbar zu sein, die Zelle bleibt im programmierten Zustand stecken und es kommt zum Dauerbruch. Die Hersteller geben in der Regel allerdings eine maximale Anzahl von Wiederbeschreibungszyklen von einer Million oder mehr an.

Zudem können während der Lagerung bei erhöhter Temperatur die in das Floating-Gate injizierten Elektronen durch den Isolator driften und einen Ladungsverlust verursachen, der die Zelle in den gelöschten Zustand zurückversetzt. Namhafte Hersteller garantieren allerdings in der Regel einen Datenerhalt von wenigstens zehn Jahren.



Typische Einsatzbereiche

EEPROM-Speicher wird üblicherweise verwendet, um bestimmte Funktionen in elektronischen Produkten zu ermöglichen. Zu diesen Produkten gehören zum Beispiel Echtzeituhren, digitale Potentiometer, digitale Temperatursensoren, Rufnummernspeicher in Telefongeräten oder BIOS-Speicher in Computern. RAM-Speicherriegel enthalten oft ebenfalls EEPROMs zur Speicherung der erforderlichen Betriebsspannung, der Taktfrequenz und der Speichergröße



Vergleich mit EPROMs

Der Unterschied liegt in der Art und Weise, wie der Speicher programmiert und gelöscht wird. EEPROMs lassen sich elektrisch durch die Feldelektronenemission – in der Fachwelt besser bekannt als Fowler-Nordheim-Tunneling –  programmieren und löschen.

EPROMs dagegen können nicht elektrisch gelöscht werden. Ihre Programmierung erfolgt über eine Hot-Carrier-Injection auf das Floating-Gate, das Löschen über eine ultraviolette Lichtquelle. In der Praxis sind viele EPROMs aber in Kunststoff eingekapselt, der für UV-Licht undurchsichtig ist, was sie quasi nur einmalig programmierbar macht.



Auswahlkriterien für die Beschaffung

Ist der Einsatz von EEPROMs geplant, ist zunächst die Montageart und damit zusammenhängend die Gehäuseform zu bestimmen. Es gibt EEPROMS sowohl für die Durchführungs- als auch die Oberflächenmontage. Die Skala der Gehäuse reicht von DIP-8 und SO-8 über TO-92-3 bis zu TSSOP-8.

Der nächste Schritt betrifft die Speichergröße. Der kleinste EEPROM-Chip verfügt über ein Kilobit Speicher, der größte bietet zwei Megabit. Umgerechnet in sind dies 128 beziehungsweise 256 Byte.

Hinsichtlich der Versorgungsspannung liegen EEPROMs zwischen 1,8 und 4,5 Volt als Minimum und zwischen 5,25 und 6 Volt als Maximum.



FAQ – häufig gestellte Fragen

Gibt es fertige Programmiergeräte für EEPROMs zu kaufen?

Auf dem Markt sind etliche Geräte im Angebot, die Preise beginnen im unteren zweistelligen Eurobereich und reichen bis über 1000 Euro. Entscheidend ist dabei die Kompatibilität zu den verschiedenen EEPROM-Typen sowie die Möglichkeit, auch andere Speichersysteme wie Flash-Chips zu programmieren. Der Anschluss dieser kleinen Geräte erfolgt üblicherweise über ein USB-Kabel am PC oder an einem Mikrocontroller wie den Arduino. Der USB-Port liefert auch die Betriebsspannung für das Programmiergerät. Der zu programmierenden Chip wird einfach in den dafür vorgesehen Sockel – zum Beispiel vom Typ ZIF-16 – gesteckt, eine entsprechende Programmiersoftware gehört in der Regel zum Lieferumfang.
 

Mit welcher Taktfrequenz arbeiten EEPROMs?

Die meisten dieser Speicherchips sind mit 400 Kilohertz getaktet, es gibt aber auch Typen, die auch mit 100 Kilohertz und mit einem Megahertz arbeiten.
 

Bis zu welcher Höchsttemperatur sind diese Speicherbausteine einsetzbar?

85 Grad Celsius ist bei den weitaus meisten im Markt verfügbaren Chips die oberste Temperaturgrenze. Als unterste Stufe ist üblicherweise minus 40 Grad Celsius angegeben.

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