一种基于FPGA的通用位元电路设计全面解析
fpga （field programmable gate array）， 即现场可编程逻辑门阵列，是当今集成电路半定制设计中的重要组成部分，具有结构灵活，功能完善，集成度高，设计周期短的特点，受到了越来越多的用户的欢迎；并且随着集成电路工艺制程的不断更新，fpga的速度也得到了极大的提高。fpga一般分为反熔丝型、eprom型及sram型。
基于flash的fpga一般需要采用特殊的结构，造价很高；基于sram的fpga器件虽然不需要特殊的工艺，可以用一般的cmos工艺实现，但是这种fpga的保密性及可靠性都不高；反熔丝／熔丝fpga的保密性及可靠性都很高，市场上也有很多的反熔丝／熔丝结构，有些完全可以于cm os工艺兼容。因此反熔丝／熔丝fpga具有很好的发展前景。
在反熔丝／熔丝fpga中，反熔丝／熔丝结构对fpga的性能至关重要，这些反熔丝／熔丝结构击穿后的电阻特性不一致，大至10k欧姆，小的只有几欧姆，因此基于反熔丝／熔丝结构的位元电路需要单独设计。在本论文中提出的这种位元电路对反熔丝／熔丝结构击穿后的电阻没有特殊要求，因此具有重复利用性。因为篇幅有限，在此只叙述此位元电路在反熔丝fpca中的应用，此位元电路可以完全应用到熔丝fpca中。
1 新型反熔丝／熔丝位元电路 反熔丝／熔丝位元电路是控制反熔丝／熔丝完成逻辑编程的电路，图1所示是反熔丝位元电路，实框中是反熔丝存储单元电路图，该存储单元可以单独的存储0和1。写状态时加编程高压，让其中一个反熔丝电容熔通为一个小电阻，另一个反熔丝电容保持原状态；读取时，在熔通电容一端加电源电压，通过熔通后的小电阻传输高电平，完成1的存储；在熔通电容一端加低电平，通过熔通后的小电阻传输低电平，完成0的存储。可见位元电路输出高低电平是根据节点电压的变化来判断，与节点电流没有关系，因此对击穿后的电阻特性没有特殊要求。
对于熔丝位元电路只需将反熔丝结构换成熔丝结构，写状态时加编程高压，让其中一个熔丝熔断，另一个熔丝保持常态；读取时，在保持常态的熔丝一端加电源电压，通过熔丝传输高电平，完成1的存储，在保持常态的熔丝一端加低电平，通过熔丝传输低电平，完成0的存储。
图1的框外是一个mos管，此mos管是作为开关用的，当data输出0时，此开关关闭，x0与y0断开，当data输出1时，此开关打开，x0与y0实际上是连在一起的，此时从x0输入信号，y0的输出信号即为x0。
2 反熔丝位元电路的写入过程 如图1所示，每个反熔丝存储结构包括两个反熔丝c1、c2，高压管m1、m2以及一个起编程控制作用的或非门。反熔丝采用mos管做电容，利用栅氧击穿来熔通。或非门的两端分别接在行译码（wl）和列译码（bl）上，当反熔丝存储结构工作在编程模式的时候，wl、bl端同时输入低电平，通过或非门输出高电平，使高压管m1处于开启状态，这样就使反熔丝电容的一端接地；同时prg_oem端接低电平关断，以保护后面的普通管不受编程高压的影响。
此时在prg_vdd端加编程高压（0．35μm工艺为15v），prg_gnd端加低压信号，则c1两端由于电压差很大（15v），被烧断，c2两端的电压相同，仍保持原来的状态，称处于该状态的反熔丝存储结构为状态一，如图2所示。相反的，当prg_vdd端加低电压，prg_gnd端加编程高电压时，c2两端电压差达到15v，被烧断，c1两端电压基本相同，保持原来的状态，我们称处于该状态的反熔丝存储结构为状态二，如图2所示。
编程完成后，使或非门输入端的wl、bl信号都为高电平，m1处于关断状态，prg_oem端接高电平，m2管打开，这时电路可以简化为图2。状态一中，当prg_vdd加电源电压（一般为5v），data输出高电平1，即状态一可以存储1；状态二中，当prg_gnd加低电压，data输出低电平，即状态二可以存储0。
在该反熔丝存储单元中使用两个电容而不用一个的原因是：如果只采用一个反熔丝，当存储0时，其一定不能加高压编程，即反熔丝不能被烧断，这就会出现m3管的栅极的电平不能确定的情况发生。
3 反熔丝位元电路的读出过程 图2所示是编程后的反熔丝位元电路，当反熔丝位元电路工作在读取状态时，prg_vdd接高电平（电源电压，一般为5v），prg_gnd接低电平此时，状态一（即存储1状态）中，由于c1原来的位置已经被烧断而变成了一个电阻，所以data输出1，m3管的栅极上而处于高电平状态，m3被导通，x和y连在了一起。在状态二（即存储0状态）中，由于c2被烧断而变成了一个电阻，但是高电平却由于c1的阻挡而不能向下传输，因此data输出0，m3的栅极处于低电平状态，m3管关断，x和y没有连在一起。
此反熔丝位元电路具有普遍性，对于日前市场上的反熔丝型fpga结构基本都可以适用。图2中m3开关管的存存，是为了使下而叙述的基丁lb结构的fpga容易布线，在必要的时候可以省略。
4 应用实例 在图3的fpga电路中，lb采用actel熔丝型fpga中采用的逻辑单元，空心圆圈和实心圆圈均代表一个图1所示的反熔丝位元电路，由lb引出的长纵线是将lb上半部分六个反熔丝位元电路中的y端和下半部分六个反熔丝位元电路中的y端连接在一起，引线标号为0-11的横线是将反熔丝位元电路的x端连在一起。由外部io引出的短纵线是为了让外接逻辑信号进入指定模块。引线标号为3—8的横线上没有纵线连接的反熔丝位元电路（实心圆圈代表的反熔丝位元电路），足为了让左右两面的反熔丝位元咀路的x端连接在一起的，当其烧通后，其左右两端的反熔丝变连接在一起了，此种位元电路一般称为可编程分离开关。可编程开关的存在可以减少横线数量，优化布线最后剩下的标有vcc或clk或cnd的横线，处于这几行上面的反熔丝位元电路，是为反熔丝位元电路提供读取时的电平。
简单工作原理以该fpga实现一个非门逻辑为例，完成非门的逻辑功能，只需要一个lb模块即可，其工作部分如图3中虚线框中电路。lb各端口a0、b0、sa、s0、a1、b1、sb和s1所加信号分别为10a10001，按照各信口对相应反熔丝编程，需要编程的反熔丝标识为图3中的虚线表示的空心圆圈。编程完成后，使这些空心圆圈代表的反熔丝位元电路中的x与y端连在一起，如图2中的状态一所示。此时再加vdd、gnd及输入信号a，高电平1和低电平0的输入只需熔通长横线vdd和gnd上的反熔丝位元，vdd及gnd从反熔丝位元的x端输入，y端将x端信号传输到lb模块。例如a0需要为高电平，只需熔通反熔丝位元1。a信号的输入从任一个i／o端进入即可，图3中选择上半部分i／o端口，a信号进入反熔丝位元2的y端，反熔丝位元2的x端将其y端的a信号传到反熔丝位元3的x端，反熔丝位元3的y端将其x端信口a传到lb模块。输出信号out可从任一个i ／o端输出，原理同a信号的输入一样，可以选择下半部分的3条短横线（有可编程分离位元的横线）任意一条上的2个反熔丝位元输出，此输出信号即为a信号的取反信号。
5 结束语 本文提出的新型反熔丝／熔丝位元电路可以单独的存储0和1，对反熔丝／熔丝击穿后的电阻特性没有特殊要求，因此对于市场上存在的反熔丝／熔丝fpga基本都可以适用，所以此位元电路拥有大规模应用的可能。
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1 新型反熔丝／熔丝位元电路 反熔丝／熔丝位元电路是控制反熔丝／熔丝完成逻辑编程的电路，图1所示是反熔丝位元电路，实框中是反熔丝存储单元电路图，该存储单元可以单独的存储0和1。写状态时加编程高压，让其中一个反熔丝电容熔通为一个小电阻，另一个反熔丝电容保持原状态；读取时，在熔通电容一端加电源电压，通过熔通后的小电阻传输高电平，完成1的存储；在熔通电容一端加低电平，通过熔通后的小电阻传输低电平，完成0的存储。可见位元电路输出高低电平是根据节点电压的变化来判断，与节点电流没有关系，因此对击穿后的电阻特性没有特殊要求。
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图1的框外是一个mos管，此mos管是作为开关用的，当data输出0时，此开关关闭，x0与y0断开，当data输出1时，此开关打开，x0与y0实际上是连在一起的，此时从x0输入信号，y0的输出信号即为x0。
2 反熔丝位元电路的写入过程 如图1所示，每个反熔丝存储结构包括两个反熔丝c1、c2，高压管m1、m2以及一个起编程控制作用的或非门。反熔丝采用mos管做电容，利用栅氧击穿来熔通。或非门的两端分别接在行译码（wl）和列译码（bl）上，当反熔丝存储结构工作在编程模式的时候，wl、bl端同时输入低电平，通过或非门输出高电平，使高压管m1处于开启状态，这样就使反熔丝电容的一端接地；同时prg_oem端接低电平关断，以保护后面的普通管不受编程高压的影响。
此时在prg_vdd端加编程高压（0．35μm工艺为15v），prg_gnd端加低压信号，则c1两端由于电压差很大（15v），被烧断，c2两端的电压相同，仍保持原来的状态，称处于该状态的反熔丝存储结构为状态一，如图2所示。相反的，当prg_vdd端加低电压，prg_gnd端加编程高电压时，c2两端电压差达到15v，被烧断，c1两端电压基本相同，保持原来的状态，我们称处于该状态的反熔丝存储结构为状态二，如图2所示。
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