Programozható logikai áramkörök A PLÁ k programozhatóságát biztosító eszközök Előadó: Nagy István (A65) Ajánlott irodalom: Ajtonyi I.: Digitális rendszerek, Miskolci Egyetem, 2002. Ajtonyi I.: Vezérléstechnika II., Tankönyvkiadó, Budapest, 1987 Gál T.: Programozható logikák BME - tankönyvkiadó, 1994. P. Ammon: Kapumátrix-áramkörök, Műszaki könyvkiadó, 1989.
Bevezetés: A programozhatóságot speciális áramköri megoldású kapcsolók biztosítják. A kapcsolók beállítása az eszköz lábain keresztül, villamos úton valósítható meg. A kapcsolók állapotának beállítása = PROGRAMOZÁS. 1. Felejtő (volatile) típusú PLÁ-k: ha a kapcsolók a tápfeszültség kikapcsolása után nem tartják meg az információkat, (RAM tárral rendelkeznek) 2. Nem felejtő (nonvolatile) típusú PLÁ-k: a kapcsolók a tápfeszültség kikapcsolása után is megtartják az információkat, (ROM típusú tárral rendelkeznek) ------------------------------------------------------------------------------------- Továbbá megkülönböztetünk: 1. Egyszer programozható elemeket 2. Többször programozható elemeket
A programozhatóságot biztosító eszközök felosztása: Unipoláris technológia Bipoláris technológia FAMOS NMOS AntiFuse Poliszilícium biztosíték Átfémezés AiM Statikus RAM NiCr TiW
Bipoláris eszközök poliszilícium biztosíték: A Poliszilícium biztosíték felépítése A kiolvadó nyak a Programozás előtt A kiolvadó nyak a Programozás után A kiolvadó nyak anyaga polikristályos szilícium, ami eredetileg vezet, és a programozás után válik szigetelővé (pont ellentétes az AntiFuse működésével). Programozás: nagy áram hatására, 1400 0 C keletkezik a kiolvadó nyakon oxidálja szigetelővé teszi (egyszer programozható). Előny: nincs visszaéledés. Hátrány: nagy programozó áram
Bipoláris eszközök Átfémezés: A NiCr biztosíték felépítése A kiolvadt biztosíték A legrégebbi megoldás a NiCr biztosítékok használata. Felépítés: Si alaplemez, erre oxidréteg, majd erre viszik fel a néhány [mm] vastag NiCr réteget. Csatlakozások alumíniumból. Programozás: Megfelelő áramerősségű (20-50 ma) és hosszúságú (10-20 ms) impulzus hatására a NiCr film egy része kiolvad. Hátrány: kiégetés nem tökéletes visszanövés újra rövidzár, Megoldás: A NiCr helyett Ti-W (titán wolfrám) ötvözet használata.
Bipoláris eszközök AIM technika: A NiCr biztosíték felépítése Vertikális programozható technika. AIM- Avalanche Induced Migration- Lavina indukált vándorlás Felépítés: a. ) ábra: NPN tranzisztorú kapcsolóelem, melynek bázisa nincs kivezetve, a vezető, vagy nem vezető állapot a tranzisztor emittere és kollektora között hozandó létre. b. ) ábra programozás előtti állapot c. ), d. ) ábrák programozás utáni állapotok. Működés: A PN átmenetet lavina átütés révén vezetővé teszik anyagrészecskék vándorlása. Programozás: fordított polaritású (30-40 V) és nagy áramerősségű (100 ma) áramot juttatunk a tranzisztorra, minek hatására rövidzár alakul ki. Hátrány: A programozás hosszabb ideig tart (chip felmelegítése) és bitenként kell végigvinni, majd általában gondoskodni kell a chip hűtéséről is.
Unipoláris eszközök FAMOS A FAMOS tranzisztor az EPROM-ok alapeleme. Felépítés: lebegő vezérlő-elektróda (nincs kivezetve), anyaga polikristály, körülötte mindenhol jól szigetelő anyag (oxidréteg). A jó szigetelésnek köszönhetően a vezérlő elektródára juttatott töltés akár évtizedekig is megmarad. Működés: Beírás- a lebegő (vezérlő) elektróda feltöltése a DRAIN (D)- en keresztül. Törlés töltések eltávolítása a vezérlő elektródáról: UV besugárzással (EPROM); Elektromos jellel (EEPROM) ekkor két vezérlő elektródánk van, melyekből egyik nincs kivezetve (ábra - vezérlés).
Unipoláris eszközök NMOS Felépítés: A vezérlő elektróda ki van vezetve, de a vezérlő elektróda és a félvezető réteg között kétszeres szigetelőréteg található: egy vastagabb (szilíciumnitrid), és egy vékonyabb (szilíciumoxid) a. ) ábra. Ezek mellett létezik a kivezetett Gate-s változat, 1 réteges, b.) ábra. Programozás: A programozás során, a két szigetelőréteg határfelületén villamos töltések halmozódnak fel, és ott hosszú ideig tárolódnak. A programozó feszültséget a gate és az alaplemez közé kapcsoljuk, minek hatására elektronok lépnek be a szilíciumnitrid rétegbe, ahol halmozódnak és tárolódnak. Törlés: ellentétes feszültséggel nem az elektronokkal, hanem lyukakkal töltjük fel a nnitrid réteget.
Unipoláris eszközök AntiFuse Ellentéte a poliszilícium biztosítéknak, vezetővé tesszük a szigetelő réteget. Programozás: megfelelő feszültséggel vezetővé teszik a szigetelő dielektrikumot a szigetelés átütése feszültséggel Előny: kis helyigény. Tulajdonságok: Irreverzibilis programozás, Dielektrikum ellenállása: programozás előtt: 100[M ], programozás után: cca 500[ ]
Unipoláris eszközök statikus RAM-ok Statikus RAM cellákat előállíthatunk bipoláris (gyors, de nagy helyigény, nagy fogyasztás), de unipoláris (kis helyigény, kis fogyasztás de lassúbb) tranzisztorokból is. Működés: Az RS FF működéséből vezethető le, sőt felépítésük is hasonló. Egy bipoláris statikus RAM cella
Tesztelés és égetés - Beépített, működésvizsgáló (tesztelő) logika: A nagy integráltságú programozható áramköröknél ma már egyre természetesebb a beintegrált szabványos ellenőrző áramkör, a Peremfigyelő eljárás, = a Boundary-scan megléte. Ennek használatához 4 (opcionálisan 5) vezérlő lábat használnak fel. A felhasználás helyén újraprogramozható logikáknál ezek megegyeznek a letöltéshez használt lábakkal. - Programozó áramkör: Feladata az IC funkció beállítás (programozás vagy égetés) alatti vezérlése. Működését általában nem közlik a gyártók. A programozási algoritmust sem, csak azt adják meg, hogy mely gyártó, milyen típusú programozó (égető) készülékével, vagy mely programrendszer megfelelő szolgáltatásával lehet a programozást elvégezni. A korszerű típusokból kiolvasható a gyártó és a típus kódja. Ez a megoldás, a tévedések elkerülését szolgálja. A programozó berendezés kéri a kezelőtől ezeket az adatokat, és ha nem egyezik, úgy jelzi a hibát, és a kijavításáig nem végzi el a betöltést. Ezzel is véd a téves típusba való beírás ellen. Egyszer programozható IC-nél ez egyértelműen selejtet jelentene, de újra programozható áramkör is tönkretehető nem megfelelő feszültség vagy algoritmus alkalmazásával. A korszerű típusoknál lehetőség van a programozott bitsorozat visszaolvasására és a másolás elleni védekezésként, a már ellenőrzött IC-nél, ennek a lehetőségnek a végleges tiltására is. Ez a Security bit.
Összeköttetések kialakítása Kapcsolat mátrix: az egyes funkcionális részek összekötésére szolgál. Az egyszerűbbeknél ez huzalozott, a bonyolultabbaknál programozható megoldás, kifejezetten a nagy integráltságú programozható áramkörök részegysége. Ez tekinthető a "programozható NYÁK funkciónak. Felépítése típus családonként erősen változó, és különböző mértékben (általában csak vázlatosan) dokumentált.
Lehet a teljes IC-n végigfutó függőleges és vízszintes összeköttetés csatorna, mely programozható áteresztő kapukkal kapcsolódik az egyes "cellákhoz" és a kereszteződéseknél kapcsoló mátrix-al egymáshoz. Rendkívül rugalmas áramköri kialakítást tesz lehetővé, viszont a "kész" áramkör sebessége erősen függ az összeköttetési útvonal kialakításától és a kapcsoló áramkör fizikai megvalósításától. Pl. Texas FPGA család, újabban ALTERRA (?) cégnévvel forgalmazzák, vagy a XILINX FPGA családok egyik lehetséges összekötés módja. Proglog.10. 11. ábra. - Használnak az általános összeköttetésen kívül helyi és sín összeköttetést is, pl. XILINX XC 2000, 3000, 4000 és az újabb FPGA családok.
Központi elosztó mátrix és elosztó részmátrixok A bemenetek és a belső visszacsatolások egy központi elosztóból kerülnek a sokkbemenetű "makrocellák"-hoz. Sebességtartó megoldás, de a részletekről a gyártók nagyon keveset közölnek. Lásd isplsi Global Routing Pool (GRP), Proglog.13. ábra. Output Routing Pool (ORP) Proglog.14. ábra. - Már látszanak a törekvések a két összeköttetési mód kombinálására is. Pl. XILINX XC5000 sorozat.
A CLB-k és az egyszeres hosszúságú vezetékek kapcsolata
Kapcsolómátrix felépítése és lehetséges útvonala