可编程逻辑器件的发展与应用.docx

可编程逻辑器件的发展与应用摘要：可编程逻辑器件(Programmable Logic Device , PLD )可以由用户根据需要 自行完成编程设计工作，并在设计阶段进行硬件仿真(Emulation )，使得微电子设计实现 了早期集成和软硬件联合验证。然后用某种编程技术自己"烧制”使内部电路结构实现再连 接，也就是说用户既是使用者又是设计者和制造者。1 . PLD发展历程PLD的发展经历了 以下三个主要发展阶段：(1)早期的可编程逻辑器件，如可可编程逻辑器件(Programmable Logic Device, PLD)可以由用户根据需要自 行完成编程设计工作，并在设计阶段进行硬件仿真(Emulation),使得微电子设计 实现了早期集成和软硬件联合验证。然后用某种编程技术自己“烧制”使内部电路 结构实现再连接，也就是说用户既是使用者又是设计者和制造者。1. PLD发展历程PLD的发展经历了以下三个主要发展阶段：(1)早期的可编程逻辑器件，如可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存 储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(E2PR0M)三种。由于结构的限制，它们只能 完成简单的数字逻辑功能。(2)结构上稍为复杂的可编程芯片，即为PLD, PLD器件是可编程的，未经编程的 PLD器件不能实现任何功能，设计者可以通过对PLD编程来实现规定的逻辑功能。 设计者可以将多个中小规模器件的功能集成到一个或几个PLD中。(3) CPLD和FPGA,它们可以实现较大规模的电路，可以替代几十甚至上百块 通用IC芯片，具有可编程和实现方案容易改动的特点。由于芯片内部硬件连接关系 的描述可以存放在ROM、PROM或EPROM中，因而在可编程芯片及其外围电路保持不 动的情况下，换一块EPROM芯片就能实现新的功能。因此，当FPGA/CPLD芯片及其 开发系统一问世，就在数字系统设计领域占据了重要地位，被广泛应用于产品的原 型设计和小批量的产品设计之中。3） PLD的编程技术从电路设计者来说，可将设计好的电路“写入”芯片(PLD母片)，使之成为专用集 成电路；有些PLD可以多次“编程(逻辑重构)”，这就特别适合新产品试制或小 批量生产。PLD的编程技术有下列几种工艺。(1)熔丝(Fuse)和反熔丝(Anti-fuse)编程技术熔丝编程技术是用熔丝作为开关元件，这些开关元件平时(在未编程时)处于连通 状态，加电编程时，在不需要连接处将熔丝熔断，保留在器件内的熔丝模式决定相 应器件的逻辑功能。反熔丝编程技术也称熔通编程技术，这类器件是用逆熔丝作为开关元件。这些开关 元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的逆熔丝开关元件两端加上 编程电压，逆熔丝将由高阻抗变为低阻抗，实现两点间的连接，编程后器件内的反 熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能。熔丝结构反熔丝结构示意2)浮栅型电可写紫外线擦除编程技术浮栅管相当于一个电子开关，如N沟浮栅管，当浮栅中没有注入电子时，浮栅管导 通；当浮栅中注入电子后，浮栅管截止。浮栅管的浮栅在原始状态没有电子，如果 把源极和衬底接地，且在源-漏极间加电压脉冲产生足够强的电场，使电子加速跃入 浮栅中，则使浮栅带上负电荷，电压脉冲消除后，浮栅上的电子可以长期保留；当 浮栅管受到紫外光照射时，浮栅上的电子将流向衬底，擦除所记忆的信息，而为重 新编程做好准备。EPROM以及大多数的FPGA器件采用这种工艺编程。这类器件可多 次编程，但需用编程器浮栅型紫外线擦除熔丝结构3)浮栅型电可写电擦除编程技(E2PROM)此类器件在CMOS管的浮栅与漏极间有一薄氧化层区，其厚度为10um15um, 可产生隧道效应。编程(写入)时，漏极接地，栅极加20V的脉冲电压，衬底中的 电子将通过隧道效应进入浮栅，浮栅管正常工作时处于截止状态，脉冲消除后，浮 栅上的电子可以长期保留；若将其控制栅极接地，漏极加20V的脉冲电压，浮栅上 的电子又将通过隧道效应返回衬底，则使该管正常工作时处于导通状态，达到对该 管擦除的目的。编程和擦除都是通过在漏极和控制栅极上加入一定幅度和极性的电 脉冲来实现，可由用户在“现场”用编程器来完成。浮栅型电可擦除熔丝结构4） SRAM编程技术与浮栅型熔丝结构基本相同。SRAM编程技术是在FPGA器件中采用的主要编程工艺 之一。SRAM型的FPGA是易失性的，断电后其内部编程数据（构造代码）将丢失， 需在外部配接ROM存放FPGA的编程数据3.基于EDA的CPLD/FPGA应用CPLD/FPGA产品可轻易地实现红外线编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远 程编程，编程方式简便、先进。这些功能在工控、智能仪表、通信和军事上有特别 用途。