Dispositivos de lógica programable SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES 2o Curso Ingeniería Técnica Industrial Especialidad en Electrónica Industrial

Dr. José Luis Rosselló

Índice   

Conceptos generales Dispositivos programables Tipos de dispositivos programables    

PROMs FPLAs PALs FPGAs Logica Programable

Jose Luis Rosselló. Grupo de Tecnología Electrónica, Universitat Illes Balears

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1

Especificación

Idioma Programa de alto nivel (Algoritmo)

FLUJO DE DISEÑO

Comportamiento SÍNTESIS LÓGICA AUTOMÁTICA

Transferencia entre registros (RTL)

Maquinas secuenciales Puertas lógicas

Lógica IMPLEMENTACIÓN LÓGICA

Transistores

Circuitos Dispositivo programable

Rectángulos

PLDs

Layout Logica Programable

3

Conceptos generales   

Cada circuito integrado contiene un determinado número de elementos lógicos Para cada tipo de aplicación el esquema de interconexiones es fija Posibles implementaciones de una aplicación  

En un circuito específico (ASIC) En un circuito de propósito general (programable)

Logica Programable

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4

2

Fundamento  Cualquier función lógica puede expresarse como suma de productos F=m1+m2+m3+ …=xyz+ zyz+xyz 

La función se realiza en dos niveles 1er nivel 2o nivel

Producto Suma

Logica Programable

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Esquema de conexiones 

A s B

Conexión entre líneas mediante un dispositivo programable

{

A s=0 B A

Este elemento conector puede ser un fusible (si la programación de cada interconexión es permanente) o un transistor MOS de doble puerta si queremos que además de programable sea reconfigurable

s=1 B Logica Programable

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3

Modelo de estructura AND

s

Pull - up

x2

x1

~ 1

1

s

xn-1

s

xn

s

x1 x2 x3

x1

x2

x3

xn-1

xn-1 xn

xn

7

Logica Programable

Modelo de estructura OR Pull - down ~ 0 0

x2

x1

s

s

xn-1

s

xn

s

x1 x2 x3

x1

x2

x3

xn-1

xn

Logica Programable

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xn-1 xn

8

4

Matriz programamable AND-OR Permite realizar cuatro funciones logicas de n entradas.

Logica Programable

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Ejemplo de programación Ejemplo sencillo: Full adder s=xyz+xyz +xyz+xyz c=xyz+xyz +xyz+xyz Logica Programable

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5

Dispositivos programables 

Tecnología basada en fusibles  



Tecnología basada en SRAM  



Programable una sola vez No-Volátil Reconfigurable Volátil

Tecnología EPROM y EEPROM  

Reconfigurable No-Volátil

Logica Programable

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Tecnología basada en fusibles

Logica Programable

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6

Tecnología EPROM y EEPROM Transistor MOS Óxido de puerta Fuente

Puerta

Drenador

n+

n+ Substrato tipo P

Óxido de campo (SiO2) p+ stopper

Transistor n-MOS

Logica Programable

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Tecnología CMOS

Logica Programable

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Concepto de Tensión umbral (VTH) Lineas de Campo Eléctrico

Puerta VGS

VDS Drenador

Fuente

n+

n+

Substrat tipus p p-

Zona de vaciamiento (ausencia de agujeros)

Canal de conducción (electrones acumulados)

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Logica Programable

Curvas características del transistor n-MOS VDS = VGS-VT VGS = 5V Lineal

1.0

2.0 3.0 VDS (V)

VGS = 4V

√ID

1

0.0

0.020

Saturación

ID (mA)

2

VGS = 3V

0.010 Corriente sub-umbral

VGS = 2V VGS = 1V 4.0 5.0

(a) I D en función de VDS

0.0

2.0 VT1.0 VGS (V)

3.0

(b) √ID en función de VGS (para VDS = 5V).

Transistor n-MOS W = 100µm, L = 20µm Logica Programable

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Transistor MOS de doble puerta Puerta flotante

Puerta D

Drenador

Fuente

G

p

n+

S

n+

Substrato Símbolo

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Logica Programable

Programación del transistor de doble puerta 20 V

10 V→ 5 V S

0V

20 V

D

Programación por avalancha

5V

0V S

D

Los electrones quedan atrapados en la puerta flotante Logica Programable

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5V S

D

El valor efectivo de la tensión umbral aumenta debido al apantallamiento de los electrones atrapados en la puerta flotante

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9

Desplazamiento de VTH

÷ √ ID

0.020

0.010

0.0

5 V

GS

10 (V)

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Logica Programable

Flash EEPROM Puerta de control Puerta flotante Óxido de tunneling

Borrado n+ Fuente

Programación

n+ Drenador

Substrato P

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Cross-sections of NVM cells

Flash

Courtesy Intel Logica Programable

EPROM 21

Puertas distribuidas (esquema físico)

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Tipos de dispositivos programables 

PROM: Matriz OR programable y AND no programable



FPLA: Matriz AND y OR programables



PAL: Matriz AND programable y OR no programable Logica Programable

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PROM Matriz OR programable y AND no programable  

Más rápidas si se comparan con otros tipos de lógica Ideales si hemos de implementar funciones que usan todos los mintérminos Codificadores, Look-up tables



Para n entradas tenemos 2n puertas AND Bastante extensas para n grande

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12

PROMs

Logica Programable

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Esquema básico de una PROM

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13

Problema 1: 

Implementar en las siguientes funciones:

f1=AB+BC f2=(A+B+C)(A+B) f3=A+BC

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Problema 2: 

Implementar un conversor de binario a código gray

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FPLA Matriz OR y AND programables   

Más pequeñas y flexibles que las PROM Cualquier término producto puede ser programado (no sólo mintérminos) Más lentas al tener una etapa más para ser programada Logica Programable

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Problema: Voto mayoritario 

Programa la PLA de forma que proporcione el sentido del voto mayoritario de un total de cinco electores (cada voto consiste en un sí o un no).

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Polaridad de salida programable

Logica Programable

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Extensión de la PLAs 

Circuitos basados en la estructura ANDOR modificada de forma que:  

Permiten terminales bidireccionales Permiten la utilitzación de variables intermedias

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Pines bidireccionales y líneas de realimentación

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Logica Programable

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Ejemplo: Función paridad de 9 bits   

F = x0 ⊕ x1 ⊕ x2 ⊕ x3 ⊕ x4 ⊕ x5 ⊕ x6 ⊕ x7 ⊕ x8 Implementación a 2 niveles : 256 mintérminos Implementación multinivel y0 = x0 ⊕ x1 ⊕ x2 y1 = x3 ⊕ x4 ⊕ x5 y2 = x6 ⊕ x7 ⊕ x8 F = y0 ⊕ y1 ⊕ y2

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x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7

F y2 y1 y0

x8 Logica Programable

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PAL Matriz AND programable y OR no programable 



Compromiso entre las FPLA y PROMs (más rápidas que las FPLA y no tan grandes como las PROMs) Los términos productos comunes a varias funciones tienen que ser implementados por duplicado Logica Programable

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PAL comercial: PAL16L8

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Problema: Programación de un comparador de 4 bits Programar una PAL16L8 de forma que compare dos números de cuatro bits. El sistema ha de producir tres salidas (X,Y,Z), donde X=1 sólo cuando A=B, Y=1 sólo cuando A>B y Z=1 sólo cuando AB)

b0

Z(A