可编程逻辑器件的发展与应用
2015-3-8 19:56:35 点击：
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（E2PROM）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10μm～15μm，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。
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（E2PROM）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10μm～15μm，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。
- 上一篇：无规矩不成方圆 技术标准制约智能家居行业发展 2015/3/8
- 下一篇：智能变电站多项标准化有望今年制定 2012/11/28
