反熔丝现场可编程门阵列架构设计技术研究

发布时间：2020-10-29 16:07

　　 随着航天领域中电子系统的发展,FPGA(Field-Programmable Gate Array)器件在其环境下发挥着关键作用。现阶段,FPGA芯片架构有SRAM(Static Random-Access Memory)型、FLASH型、和反熔丝型。SRAM单元在掉电以后里面的数据就会消失,因此在器件系统上电后,须将配置数据经配置电路送给到SRAM单元,来实现FPGA的正常工作。在航天领域,空间环境中的宇宙射线或强磁层产生的高能带电粒子都会对集成电路造成干扰,当宇宙中的单个高能粒子射入半导体灵敏区,半导体器件内存储单元中的数据位信息会跳变,即数据位高低电平会随机转换,这样使得电路的功能发生错误,后果难以预知,并且随着芯片集成度的增加,发生单粒子翻转错误的可能性也在增加。在特殊的环境下,对半导体器件在抗辐照方面的特性上提出要求,这样里面保存的数据相对安全与可靠些。基于反熔丝结构PROM具有一定的耐辐照性,与其他配置的芯片相比较,可以稳定可靠的保存数据,在辐射强、昼夜温差大、电磁干扰严重的外太空环境工作时具有无可比拟的优势。反熔丝PROM(Programmable Red-Only Memory)具备快速读取、功耗低、抗辐照性强、可靠性高等优点,被广泛利用在航空环境中。本文提出了一种新型的FPGA芯片架构设计即反熔丝PROM+SRAM,即将PROM作为配置芯片来加载FPGA器件,这样可保证配置数据的稳定保存,相比较于常见的SRAM型FPGA具有一定的抗辐照功能,且可将实现不同功能的配置数据保存入不同的反熔丝配置存储器中来实现不同的电路设计。本设计的工作包括了:首先对反熔丝配置存储器的工作过程进行研究,然后讨论了SRAM型FPGA上电后的配置过程,确定了PROM作为配置芯片时,FPGA的配置模式。设计了PROM芯片转接电路和FPGA最小系统板,设计配置接口电路,并对电路进行功能仿真,在线调试和实物验证。最后对整个系统做优化评估,提出关于配置电路可靠性的建议。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V443
【部分图文】：

第二章 反熔丝配置存储器第二章 反熔丝配置存储器2.1 反熔丝存储器整体结构本课题采用的反熔丝 PROM 的存储容量为 256kbit，PROM 存储器主要有四个功能模块组成，其中存储阵列占了大部分的芯片面积，另外还有一些存储器编程电路、数据读取电路、存储器地址译码电路等外围电路[11]，如图 2-1 所示：

PE 为 0，OE 为 1 时，芯片工作在编程即写入状态 1，OE 为 0 时，芯片工作在读取状态[11-12]。结构原理存储器件的结构由熔丝和反熔丝两种组成，前者在默认情况下元没有数据，对外显示为 0，熔丝型 OTP（One Time Program据 1 时，需要高压信号加在结构的两端，使其熔断，对外显示构的存储器对周围环境比较敏感，在编程之后即熔丝烧断后，持为高电平，对外不可恢复到其编程前的状态，这样可能会使误的数据。常见的一次性存储器中的熔丝结构为多晶硅，多晶情况下，熔丝结构两端是连接的，如图 2-2（a）所示，在将数时，利用功率较大的激光来对熔丝结构中的多晶硅进行烧断，丝机构两端存在的电路通路断开，如图 2-2（b）所示。在对熔，可能对周围的多晶硅熔丝带来影响，所以在设计时，需要将一定的空间，这样就会造成芯片面积增大，成本升高[11]。

图 2-3 反熔丝 PROM 结构 所示为本课题中 OTP 存储器 PROM 的反熔丝的内部结构，在每个反熔丝结构，在电路图中用电容表示（相当远端开路状态）烧写数据之前，用户可以选择对一个存储单元中的哪个反熔丝设置为对左右两边的反熔丝结构一起编程。同理，在读取数据读左边存储单元，或者只读右边存储单元，还可以一起选中两并联读取，编程和读取模式的选择根据芯片初始化来决定[11-12]。是提高芯片的可靠性，减少出错几率。
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本文编号：2861138