第一章 可编程逻辑器件简介

第1章可编程逻辑器件简介,1.1可编程逻辑器件（PLD)的分类,逻辑符号说明,(,a,),(,b,),F,A,B,1,F,A,B,或门,与门,非门,异或门；同或门,基本门电路的PLD表示法,图PLD输入缓冲器,图与门表示法,图PLD连接法,可编程连线,1.2可编程逻辑器件发展1.2.1可编程只读存储器PROM,掩模ROM,字线,位线,ROM的数据表,0,0,1,1,基于三级管的一次性可编程PROM单元,字线,W,i,U,CC,熔丝,位线,D,i,字线,W,i,熔丝,位线,D,i,EPROM用编程器烧录,可擦除的PROM,可擦除的可编程只读只读存储器（EPROM)高电压编程，紫外线擦除电可擦除的可编程只读只读存储器（E2PROM)高电压编程，擦除快闪存储器FLASHMEMORY高密度、大容量、低成本、使用方便（10年、100000次）,EPROM的存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管(FAMOS管)或叠栅注入MOS管(SIMOS)。图是SIMOS管的结构示意图和符号，它是一个N沟道增强型的MOS管，有Gf和Gc两个栅极。Gf栅没有引出线，而是被包围在二氧化硅(SiO2)中，称之为浮栅，Gc为控制栅，它有引出线。若在漏极D端加上约几十伏的脉冲电压，使得沟道中的电场足够强，则会造成雪崩，产生很多高能量的电子。此时若在Gc上加高压正脉冲，形成方向与沟道垂直的电场，便可以使沟道中的电子穿过氧化层面注入到Gf，于是Gf栅上积累了负电荷。由于Gf栅周围都是绝缘的二氧化硅，泄漏电流很小，所以一旦电子注入到浮栅之后，就能保存相当长时间(通常浮栅上的电荷10年才损失30%)。,图SIMOS管的结构和符号,浮栅,控制栅,几十伏高压脉冲,E2PROM的存储单元如图所示，图中称为浮栅隧道氧化层MOS管(Flotox)，其结构如图9-10所示。Flotox管的浮栅与漏极区(N+)之间有一小块面积极薄的二氧化硅绝缘层(厚度在210-8m以下)的区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度(107V/cm)时，漏区和浮栅之间出现导电隧道，电子可以双向通过，形成电流。这种现象称为隧道效应。,图Flotox管的结构和符号,图E2PROM的存储单元,快闪存储器(FlashMemory)是新一代电信号擦除的可编程ROM。它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又保留了E2PROM用隧道效应擦除快捷的特性，而且集成度可以做得很高。图是快闪存储器采用的叠栅MOS管示意图。其结构与EPROM中的SIMOS管相似，两者区别在于浮栅与衬底间氧化层的厚度不同。在EPROM中氧化层的厚度一般为3040nm，在快闪存储器中仅为1015nm,而且浮栅和源区重叠的部分是源区的横向扩散形成的，面积极小,因而浮栅-源区之间的电容很小，当Gc和S之间加电压时，大部分电压将降在浮栅-源区之间的电容上。快闪存储器的存储单元就是用这样一只单管组成的，如图所示。,图快闪存储器(a)叠栅MOS管；(b)存储单元,PROM用于组合逻辑电路,D,A,A,A,2,A,3,PROM,组合逻辑电路,PROM电路,1,0,真值表,Q,Q,CP,C,1,1,D,A,A,1,D,0,D,3,D,2,D,1,输出1,输出2,输出3,PROM构成时序逻辑,A,2,0,次态,现态,PROM的逻辑阵列结构,固定的与阵列和可编程的或阵列,11,00,01,10,PROM实现半加器,C,S,PROM的缺点,速度慢需要不同的工艺，不易集成输入端的增加引起存储容量增加，按的幂递增,1.2.2可编程逻辑阵列PLA,与阵列,或阵列,X,1,X,n,W,1,W,l,与阵列或阵列均可编程,时序型PLA结构图,PLA优缺点：,对于多输入、多输出的函数，逻辑化简难运行速度下降了,1.2.可编程阵列逻辑PAL,与阵列可编程，或阵列固定能够实现大量布尔方程，依据德摩根定理,PAL优点：,速度提高了节省了片上空间复杂度提高引发了HDL语言的诞生,1.2.通用阵列逻辑器件GAL（GeneralArrayLogicDevice）,工艺上采用了E2PROM延用了PAL与阵列可编程，或阵列固定结构结构上增加了输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell),图GAL16V8逻辑图(a)逻辑图；(b)引脚图,逻辑宏单元,输入/输出口,输入口,时钟信号输入,三态控制,可编程与阵列,固定或阵列,GAL16V8,图OLMC的内部结构,(2),图OLMC5种工作模式的等效电路(a)专用输入模式；(b)专用组合输出模式；(c)反馈组合输出模式；(d)时序电路中的组合输出模式；(e)寄存器输出模式,表四种PLD的结构特点,1.2.5掩膜门阵列的ASIC(专用集成电路）,工作速度非常高密度很高大批量生产成本低缺点：非循环工程费用高,1.2.6复杂可编程逻辑器件CPLD与现场可编程门阵列FPGA,CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)FPGA(FiledProgrammableGateArray),CPLD/FPGA厂商,1。ALTERA：九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有：MAX3000/7000,FLEX10K,APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等。开发软件为MaxplusII和QuartusII。普遍认为其开发工具MaxplusII是最成功的PLD开发平台之一，配合使用Altera公司提供的免费OEMHDL综合工具可以达到较高的效率。,2。XILINX：FPGA的发明者，老牌PLD公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：XC9500/4000，Coolrunner(XPLA3)，Spartan,Virtex等。开发软件为Foundition和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。,3。Lattice：Lattice是ISP技术的发明者,ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比ALTERA和XILINX略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，不过其大规模PLD、FPGA的竞争力还不