實(shí)現(xiàn)可編程邏輯電路的三種主要技術(shù)

實(shí)現(xiàn)可編程邏輯電路可以選擇三種主要的技術(shù)，它們有兩種主要的特性:是否可重新編程以及是否易失。我們將介紹三種主要的器件，它們是支持可編程電路的技術(shù)基礎(chǔ): 反熔絲、雙柵晶體管和基于SRAM的可編程電路。

01反熔絲

反熔絲的概念至少可以追溯到1957年，那時(shí)人們考慮將其用在存儲(chǔ)器中。當(dāng)一個(gè)編程電流加在反熔絲器件上時(shí)，它會(huì)由正常的開(kāi)路狀態(tài)變?yōu)槎搪窢顟B(tài)。它可以通過(guò)將一層絕緣層加在兩層導(dǎo)電層中間實(shí)現(xiàn)，當(dāng)通以大電流時(shí)會(huì)在較小的面積上產(chǎn)生較大的功率耗散，會(huì)熔斷絕緣層。這是一種可單次編程的技術(shù)，因?yàn)榫幊毯蠼^緣材料已被破壞不可恢復(fù)。制造反熔絲器件可以采用兩種主要結(jié)構(gòu):多晶硅擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)和金屬-金屬反熔絲結(jié)構(gòu)。

02雙柵晶體管

反熔絲技術(shù)的主要缺陷在于它的單次可編程特性。雙柵(或者浮柵)器件是一種特殊的晶體管，它的控制柵和晶體管溝道之間還有一個(gè)浮柵，可以進(jìn)行非易失性的編程和擦除。Flash存儲(chǔ)器件(閃存)便利用了浮柵器件最新的技術(shù)，即EEPROM器件。EEPROM晶體管(電可擦除)是UVEPROM器件(紫外線可擦除)的改進(jìn)版，比后者更為進(jìn)步---UVEPROM是一種可通過(guò)電學(xué)機(jī)制編程(即在特定的電壓偏置狀態(tài)下)、通過(guò)紫外光擦除(因此它們的名稱里UV表示用來(lái)擦除的紫外線，而E表示通過(guò)電學(xué)方式寫(xiě)入)的晶體管。UVEPROM器件并不實(shí)用，因?yàn)橐胫匦戮幊?，必須從系統(tǒng)中移出然后擦除，而且還需要昂貴的帶有供紫外光通過(guò)窗口的封裝結(jié)構(gòu)。EEPROM晶體管利用電學(xué)偏置實(shí)現(xiàn)編程和擦除(因而采用EE命名)。由于它們可以現(xiàn)場(chǎng)重新編程，因而更為靈活。EEPROM晶體管的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它就是一個(gè)改進(jìn)的MOS晶體管。控制柵和普通晶體管的柵極類似，而浮柵被氧化層包圍，并不能被電極直接連接。將存儲(chǔ)內(nèi)容寫(xiě)入器件需要將電子打入浮柵中，使之聚集負(fù)電荷。浮柵上的負(fù)電荷掩蔽了器件的溝道，使之在某種程度上受控制柵上和襯底之間所加電場(chǎng)的影響變小，因而即便控制柵加到Vdd的電平，導(dǎo)電溝道仍無(wú)法形成。因此，寫(xiě)入信息后的器件不會(huì)導(dǎo)通，而未寫(xiě)入的器件的特性則像普通晶體管一樣。

寫(xiě)入過(guò)程是這樣完成的:將器件置于過(guò)飽和區(qū)，這樣溝道中的熱電子被加速，與襯底中的原子碰撞，然后離開(kāi)襯底，通過(guò)薄的氧化層隧穿到浮柵。擦除過(guò)程則是通過(guò)將控制柵壓反置為負(fù)，讓電子從浮柵中隧穿回晶體管的源極。

03SRAM

靜態(tài)RAM開(kāi)關(guān)技術(shù)使用了典型的采用交叉耦合反相器的SRAM單元，以存儲(chǔ)傳輸晶體管或者下圖所示的FPGA結(jié)構(gòu)中的嵌入式傳輸門(mén)傳來(lái)的導(dǎo)電狀態(tài)。

這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)從根本上來(lái)講在于其與浮柵器件相比，需較短的編程時(shí)間。而其缺陷在于它相對(duì)較大的面積(這是由于晶體管數(shù)更多)，并且在每次上電后還需要重新寫(xiě)入。早期的FPGA在每次上電之后都必須從外部ROM或者flash電路中重新寫(xiě)入。現(xiàn)今，許多基于SRAM技術(shù)的FPGA都含有flash存儲(chǔ)模塊，它們保存了電路的配置數(shù)據(jù)，可以在每次上電后對(duì)電路進(jìn)行內(nèi)部寫(xiě)入。

作者介紹：劉紅江，重慶郵電大學(xué)碩士研究生，海云捷迅FPGA硬件工程師，多年FPGA開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，熟悉verilog、c等編程語(yǔ)言以及modelsim、vcs、等工具的使用，具有較深厚的數(shù)字多媒體通信以及AI加速器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

審核編輯：湯梓紅