Предварително опроводени матрици FPGA
Ако маск-програмируемите матрици имат сравнително кратък път до готовото изделие, още по ефикасни са схемите, при които всички технологични операции са извършени предварително.
Това са чипове, които са завършени изцяло технологично, включително и с метални връзки.
Те се програмират извън чистите стаи, в конкретната област на приложение (field programmable), откъдето идва и наименованието им „FPGA” (Field Programmable Gate Array).
Предимство на този метод е, че производственият процес е напълно отделен от специализирането на схемите и е оправдано многосерийно производство, с което се снижава значително цената на схемите.
Основен недостатък е загубата на интегрална плътност в сравнение с всички разгледани до тук методи.
FPGA могат да се класифицират по три основни критерия:
- според техниката на програмиране на матриците схемите биват:
- eднократно програмируеми (Fuse-based)
- с постоянна памет, базирани на EPROM, EEPROM, Flash
- с временна памет, базирани на RAM
- според архитектурата на програмируемата логика:
- матрични (Array-Based)
- с логически клетки и мултиплексори (Cell-Based and Look-up Table)
- според стила на трасировката
- канална (Channel-routing)
- мрежова (Mesh networks)
Желаната функция при еднократно програмируемите логически матрици се получава чрез изгаряне на мостчета или „предпазители” или чрез свързване на късо на „антипредпазители” (antifuses) в местата, където трябва или не трябва да се създадат съединения.
Между проводящия полисилиций и дифузионните слоеве се отлага тънък слой (10 nm) диелектрик ONO (оксид-нитрид-оксид).
За да се създаде връзка в тази точка, със силен ток се стопява диелектричният слой и се създава съединение с фиксирано съпротивление.
Предимство на тези схеми е, че площта, заемана от програмируемата памет е много малка.
Недостатък е еднократното им програмиране и невъзможността за въвеждане на корекции.
В FPGA с постоянна, нелетлива памет програмираната логиката се съхранява и при липса на захранващо напрежение.
Примери са FPGA с електрически изтриваеми памети като EEPROM и Flash.
Веднъж програмирана, логиката се запазва функционална и фиксирана до следващото програмиране.
Недостатък на този подход е необходимостта от допълнителни операции в технологичния процес като отлагането на ултратънки оксиди, както и необходимостта от високи напрежения (>10V) за изтриване и за програмиране.
При всяка загуба на захранващо напрежение RAM-базираните FPGA изискват презареждане на програмата от външна постоянна памет.
Програмируема логика
Както при полупоръчковото проектиране, широко приложение при програмируемата логика намират двата напълно различни подхода – използване на матрици и на клетки.
Понеже всички логически функции могат да бъдат представени под формата на суми от произведения (минтерми), т.е. чрез обединяване на логически матрици “И” и “ИЛИ” може да се реализира произволна логическа функция.
ИС, при които съдържанието на тези матрици се фиксира в процеса на изготвяне на схемата или след завършването му, се наричат програмируеми логически матрици (ПЛМ).
По принцип ПЛМ е съставена от две приблизително равни области – равнината “И” и равнината “ИЛИ”.
Изходните сигнали на хоризонталните шини на равнината “И” представляват минтерми (логическите произведения), а самите шини се наричат шини на минтермите.
На практика шините на минтермите са изходи на елементи “ИЛИ-НЕ”, на чиито входове се подават сигнали xi или (Де Морган преобразуване).
По този начин ПЛМ представлява двустъпална структура от типа ИЛИ-НЕ – ИЛИ-НЕ.
С ПЛМ може да се реализират логически схеми с произволна сложност с брой на входовете n, на изходите m и брой на логическите произведения.
ПЛМ е еквивалентна на ПЗУ при брой на логическите произведения l=2n, където n е броят на адресните шини.
Броят на термовете на логическите произведения за n-входова комбинационна логика никога не превишава 2n.
Затова ефективността на ПЛМ за използваната площ на кристала е по-висока, отколкото при ПЗУ.
Площта на кристала е приблизително пропорционална на произведението (2n + m) x l.
Следователно една от целите на проектиране на логиката е минимизация на броя на логическите произведения l.
На фигурата са показани разновидности на програмируемите логически матрици:
- PLA, в която и двете матрици “И” и “ИЛИ” са програмируеми;
- PROM, при която матрицата “И” е фиксирана и само “ИЛИ” е програмируема и
- PAL с програмируема “И” матрица и фиксирана “ИЛИ” матрица.
- DDS методът има следните предимства:
- Висока разделителна способност;
- Широк температурен диапазон;
- Висока скорост на превключване;
- Непрекъсната фаза на изходния сигнал;
- Нисък фазов шум;
- Независимост на параметрите на генерираните сигнали от стареене на елементите и температурните колебания.
Сходни статии:
- Технологии за монтаж на цифрови платки Коефициент на термично разширение (CTE или TCE). Мярка за отношението между размер на материал и неговото разширение при увеличаване на температурата. Може да бъде различен по осите x, y и...
