一種基于FPGA的通用位元電路設(shè)計(jì)全面解析

FPGA （Field Programmable Gate Array）， 即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，是當(dāng)今集成電路半定制設(shè)計(jì)中的重要組成部分，具有結(jié)構(gòu)靈活，功能完善，集成度高，設(shè)計(jì)周期短的特點(diǎn)，受到了越來越多的用戶的歡迎；并且隨著集成電路工藝制程的不斷更新，F(xiàn)PGA的速度也得到了極大的提高。FPGA一般分為反熔絲型、EPROM型及SRAM型。

基于Flash的FPGA一般需要采用特殊的結(jié)構(gòu)，造價(jià)很高；基于SRAM的FPGA器件雖然不需要特殊的工藝，可以用一般的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，但是這種FPGA的保密性及可靠性都不高；反熔絲／熔絲FPGA的保密性及可靠性都很高，市場(chǎng)上也有很多的反熔絲／熔絲結(jié)構(gòu)，有些完全可以于CM OS工藝兼容。因此反熔絲／熔絲FPGA具有很好的發(fā)展前景。

在反熔絲／熔絲FPGA中，反熔絲／熔絲結(jié)構(gòu)對(duì)FPGA的性能至關(guān)重要，這些反熔絲／熔絲結(jié)構(gòu)擊穿后的電阻特性不一致，大至10K歐姆，小的只有幾歐姆，因此基于反熔絲／熔絲結(jié)構(gòu)的位元電路需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。在本論文中提出的這種位元電路對(duì)反熔絲／熔絲結(jié)構(gòu)擊穿后的電阻沒有特殊要求，因此具有重復(fù)利用性。因?yàn)槠邢?，在此只敘述此位元電路在反熔絲FPCA中的應(yīng)用，此位元電路可以完全應(yīng)用到熔絲FPCA中。

1 新型反熔絲／熔絲位元電路

反熔絲／熔絲位元電路是控制反熔絲／熔絲完成邏輯編程的電路，圖1所示是反熔絲位元電路，實(shí)框中是反熔絲存儲(chǔ)單元電路圖，該存儲(chǔ)單元可以單獨(dú)的存儲(chǔ)0和1。寫狀態(tài)時(shí)加編程高壓，讓其中一個(gè)反熔絲電容熔通為一個(gè)小電阻，另一個(gè)反熔絲電容保持原狀態(tài)；讀取時(shí)，在熔通電容一端加電源電壓，通過熔通后的小電阻傳輸高電平，完成1的存儲(chǔ)；在熔通電容一端加低電平，通過熔通后的小電阻傳輸?shù)碗娖?，完?的存儲(chǔ)?？梢娢辉娐份敵龈叩碗娖绞歉鶕?jù)節(jié)點(diǎn)電壓的變化來判斷，與節(jié)點(diǎn)電流沒有關(guān)系，因此對(duì)擊穿后的電阻特性沒有特殊要求。

對(duì)于熔絲位元電路只需將反熔絲結(jié)構(gòu)換成熔絲結(jié)構(gòu)，寫狀態(tài)時(shí)加編程高壓，讓其中一個(gè)熔絲熔斷，另一個(gè)熔絲保持常態(tài)；讀取時(shí)，在保持常態(tài)的熔絲一端加電源電壓，通過熔絲傳輸高電平，完成1的存儲(chǔ)，在保持常態(tài)的熔絲一端加低電平，通過熔絲傳輸?shù)碗娖剑瓿?的存儲(chǔ)。

圖1的框外是一個(gè)MOS管，此MOS管是作為開關(guān)用的，當(dāng)data輸出0時(shí)，此開關(guān)關(guān)閉，X0與Y0斷開，當(dāng)data輸出1時(shí)，此開關(guān)打開，X0與Y0實(shí)際上是連在一起的，此時(shí)從X0輸入信號(hào)，Y0的輸出信號(hào)即為X0。

2 反熔絲位元電路的寫入過程

如圖1所示，每個(gè)反熔絲存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)反熔絲C1、C2，高壓管M1、M2以及一個(gè)起編程控制作用的或非門。反熔絲采用MOS管做電容，利用柵氧擊穿來熔通。或非門的兩端分別接在行譯碼（WL）和列譯碼（BL）上，當(dāng)反熔絲存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)工作在編程模式的時(shí)候，WL、BL端同時(shí)輸入低電平，通過或非門輸出高電平，使高壓管M1處于開啟狀態(tài)，這樣就使反熔絲電容的一端接地；同時(shí)PRG_OEM端接低電平關(guān)斷，以保護(hù)后面的普通管不受編程高壓的影響。

此時(shí)在PRG_VDD端加編程高壓（0．35μm工藝為15V），PRG_GND端加低壓信號(hào)，則C1兩端由于電壓差很大（15V），被燒斷，C2兩端的電壓相同，仍保持原來的狀態(tài)，稱處于該狀態(tài)的反熔絲存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為狀態(tài)一，如圖2所示。相反的，當(dāng)PRG_VDD端加低電壓，PRG_GND端加編程高電壓時(shí)，C2兩端電壓差達(dá)到15V，被燒斷，C1兩端電壓基本相同，保持原來的狀態(tài)，我們稱處于該狀態(tài)的反熔絲存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為狀態(tài)二，如圖2所示。

編程完成后，使或非門輸入端的WL、BL信號(hào)都為高電平，M1處于關(guān)斷狀態(tài)，PRG_OEM端接高電平，M2管打開，這時(shí)電路可以簡化為圖2。狀態(tài)一中，當(dāng)PRG_VDD加電源電壓（一般為5V），data輸出高電平1，即狀態(tài)一可以存儲(chǔ)1；狀態(tài)二中，當(dāng)PRG_GND加低電壓，data輸出低電平，即狀態(tài)二可以存儲(chǔ)0。

在該反熔絲存儲(chǔ)單元中使用兩個(gè)電容而不用一個(gè)的原因是：如果只采用一個(gè)反熔絲，當(dāng)存儲(chǔ)0時(shí)，其一定不能加高壓編程，即反熔絲不能被燒斷，這就會(huì)出現(xiàn)M3管的柵極的電平不能確定的情況發(fā)生。

3 反熔絲位元電路的讀出過程

圖2所示是編程后的反熔絲位元電路，當(dāng)反熔絲位元電路工作在讀取狀態(tài)時(shí)，PRG_VDD接高電平（電源電壓，一般為5V），PRG_GND接低電平此時(shí)，狀態(tài)一（即存儲(chǔ)1狀態(tài)）中，由于C1原來的位置已經(jīng)被燒斷而變成了一個(gè)電阻，所以data輸出1，M3管的柵極上而處于高電平狀態(tài)，M3被導(dǎo)通，X和Y連在了一起。在狀態(tài)二（即存儲(chǔ)0狀態(tài)）中，由于C2被燒斷而變成了一個(gè)電阻，但是高電平卻由于C1的阻擋而不能向下傳輸，因此data輸出0，M3的柵極處于低電平狀態(tài)，M3管關(guān)斷，X和Y沒有連在一起。

此反熔絲位元電路具有普遍性，對(duì)于日前市場(chǎng)上的反熔絲型FPGA結(jié)構(gòu)基本都可以適用。圖2中M3開關(guān)管的存存，是為了使下而敘述的基丁LB結(jié)構(gòu)的FPGA容易布線，在必要的時(shí)候可以省略。

4 應(yīng)用實(shí)例

在圖3的FPGA電路中，LB采用Actel熔絲型FPGA中采用的邏輯單元，空心圓圈和實(shí)心圓圈均代表一個(gè)圖1所示的反熔絲位元電路，由LB引出的長縱線是將LB上半部分六個(gè)反熔絲位元電路中的Y端和下半部分六個(gè)反熔絲位元電路中的Y端連接在一起，引線標(biāo)號(hào)為0-11的橫線是將反熔絲位元電路的X端連在一起。由外部IO引出的短縱線是為了讓外接邏輯信號(hào)進(jìn)入指定模塊。引線標(biāo)號(hào)為3—8的橫線上沒有縱線連接的反熔絲位元電路（實(shí)心圓圈代表的反熔絲位元電路），足為了讓左右兩面的反熔絲位元咀路的X端連接在一起的，當(dāng)其燒通后，其左右兩端的反熔絲變連接在一起了，此種位元電路一般稱為可編程分離開關(guān)?？删幊涕_關(guān)的存在可以減少橫線數(shù)量，優(yōu)化布線最后剩下的標(biāo)有VCC或CLK或CND的橫線，處于這幾行上面的反熔絲位元電路，是為反熔絲位元電路提供讀取時(shí)的電平。

簡單工作原理以該FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)非門邏輯為例，完成非門的邏輯功能，只需要一個(gè)LB模塊即可，其工作部分如圖3中虛線框中電路。LB各端口A0、B0、SA、S0、A1、B1、SB和S1所加信號(hào)分別為10A10001，按照各信口對(duì)相應(yīng)反熔絲編程，需要編程的反熔絲標(biāo)識(shí)為圖3中的虛線表示的空心圓圈。編程完成后，使這些空心圓圈代表的反熔絲位元電路中的X與Y端連在一起，如圖2中的狀態(tài)一所示。此時(shí)再加VDD、GND及輸入信號(hào)A，高電平1和低電平0的輸入只需熔通長橫線VDD和GND上的反熔絲位元，VDD及GND從反熔絲位元的X端輸入，Y端將X端信號(hào)傳輸?shù)絃B模塊。例如A0需要為高電平，只需熔通反熔絲位元1。A信號(hào)的輸入從任一個(gè)I／O端進(jìn)入即可，圖3中選擇上半部分I／O端口，A信號(hào)進(jìn)入反熔絲位元2的Y端，反熔絲位元2的X端將其Y端的A信號(hào)傳到反熔絲位元3的X端，反熔絲位元3的Y端將其X端信口A傳到LB模塊。輸出信號(hào)OUT可從任一個(gè)I ／O端輸出，原理同A信號(hào)的輸入一樣，可以選擇下半部分的3條短橫線（有可編程分離位元的橫線）任意一條上的2個(gè)反熔絲位元輸出，此輸出信號(hào)即為A信號(hào)的取反信號(hào)。

5 結(jié)束語

本文提出的新型反熔絲／熔絲位元電路可以單獨(dú)的存儲(chǔ)0和1，對(duì)反熔絲／熔絲擊穿后的電阻特性沒有特殊要求，因此對(duì)于市場(chǎng)上存在的反熔絲／熔絲FPGA基本都可以適用，所以此位元電路擁有大規(guī)模應(yīng)用的可能。