Jose Luis Rosselló. Grupo de Tecnología Electrónica, Universitat Illes Balears 1 Dispositivos de lógica programable SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES 2 o Curso Ingeniería Técnica Industrial Especialidad en Electrónica Industrial Dr. José Luis Rosselló Logica Programable 2 Índice Conceptos generales Dispositivos programables Tipos de dispositivos programables PROMs FPLAs PALs FPGAs
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Jose Luis Rosselló. Grupo de TecnologíaElectrónica, Universitat Illes Balears 1
Dispositivos de lógica programableSISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES
2o Curso Ingeniería Técnica IndustrialEspecialidad en Electrónica Industrial
Dr. José Luis Rosselló
Logica Programable 2
Índice Conceptos generales Dispositivos programables Tipos de dispositivos programables
PROMs FPLAs PALs FPGAs
Jose Luis Rosselló. Grupo de TecnologíaElectrónica, Universitat Illes Balears 2
Logica Programable 3
EspecificaciónIdioma
Programa de altonivel (Algoritmo)
Maquinas secuenciales
Puertas lógicas
Transistores
Rectángulos
FLUJODE DISEÑO
SÍNTESISLÓGICAAUTOMÁTICA
IMPLEMENTACIÓNLÓGICA
Especificación
Comportamiento
Transferencia entre registros (RTL)
Lógica
Dispositivoprogramable
Circuitos
Layout
PLDs
Logica Programable 4
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)
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Logica Programable 5
Fundamento Cualquier función lógica puede expresarse
como suma de productosF=m1+m2+m3+ …=xyz+ zyz+xyz
La función se realiza en dos niveles1er nivel Producto2o nivel Suma
Logica Programable 6
Esquema de conexiones Conexión entre líneas mediante un
dispositivo programable
A
s
s = 1
s = 0
B
A
B
A
B
{ Este elemento conectorpuede ser un fusible (si laprogramación de cadainterconexión es permanente)o un transistor MOS de doblepuerta si queremos queademás de programable seareconfigurable
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Logica Programable 7
x1 x2 xn-1 xnx3
x1
xn-1xn
x3x2
s s s s
x1 x2 xn-1 xn1 1
~
Pull - up
Modelo de estructura AND
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x1 x2 xn-1 xnx3
x1
xn-1xn
x3x2
s s s s
x1 x2 xn-1 xn0 0
~Pull - down
Modelo de estructura OR
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Matriz programamable AND-OR
Permite realizar cuatro funciones logicas de n entradas.
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Ejemplo de programación
Ejemplo sencillo: Full adders=xyz+xyz+xyz+xyzc=xyz+xyz+xyz+xyz
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Dispositivos programables Tecnología basada en fusibles
Programable una sola vez No-Volátil
Tecnología basada en SRAM Reconfigurable Volátil
Tecnología EPROM y EEPROM Reconfigurable No-Volátil
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Tecnología basada en fusibles
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Tecnología EPROM y EEPROMTransistor MOS
n+n+
Substrato tipo P
Óxido de campo(SiO2)
p+ stopper
Óxido de puerta
DrenadorFuentePuerta
Transistor n-MOS
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Tecnología CMOS
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Concepto de Tensión umbral (VTH)
n+n+
Substrat tipus p
Drenador
Puerta
Fuente
VGS
p-
Lineas de Campo Eléctrico
Canal de conducción(electrones acumulados)
Zona de vaciamiento (ausencia de agujeros)
VDS
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0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0VDS (V)
1
2
I D ( m
A)
0.0 1.0 2.0 3.0VGS (V)
0.010
0.020
√ I D
VT
Corriente sub-umbral
Lineal Saturación
VGS = 5V
VGS = 3V
VGS = 4V
VGS = 2VVGS = 1V
(a) I D en función de V DS (b) √ID en función de VGS(para VDS = 5V).
VDS = VGS-VT
Transistor n-MOS W = 100 µm, L = 20 µm
Curvas características del transistor n-MOS
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Fuente Drenador
PuertaPuerta flotante
Substraton+n+ p S
D
G
Símbolo
Transistor MOS de doble puerta
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DS
20 V
20 V
DS
0 V
0 V10 V→ 5 V
DS
5 V
5 V
Programaciónpor avalancha
Programación del transistorde doble puerta
Los electronesquedan
atrapados en lapuerta flotante
El valor efectivo de latensión umbral
aumenta debido alapantallamiento de
los electronesatrapados en lapuerta flotante
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Desplazamiento de VTH
0.0 5 10
0.010
0.020
÷√I D
V GS (V)
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n+ Drenadorn+ Fuente
Substrato P
Puerta de control
Puerta flotante
Programación
Borrado Óxido de tunneling
Flash EEPROM
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EPROMFlashCourtesy Intel
Cross-sections of NVM cells
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Puertas distribuidas (esquema físico)
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Tipos de dispositivos programables
PROM: Matriz OR programable y AND noprogramable
FPLA: Matriz AND y OR programables
PAL: Matriz AND programable y OR noprogramable
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PROMMatriz OR programable y AND no programable
Más rápidas si se comparan con otros tipos delógica
Ideales si hemos de implementar funciones queusan todos los mintérminosCodificadores, Look-up tables
Para n entradas tenemos 2n puertas ANDBastante extensas para n grande
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PROMs
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Esquema básico de una PROM
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Logica Programable 27
Problema 1: Implementar en las siguientes funciones:f1=AB+BCf2=(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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Logica Programable 29
FPLAMatriz 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
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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 votoconsiste en un sí o un no).
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Polaridad de salida programable
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Extensión de la PLAs Circuitos basados en la estructura AND-
OR modificada de forma que:
Permiten terminales bidireccionales Permiten la utilitzación de variables
intermedias
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Pines bidireccionales y líneas derealimentación
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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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x0x1x2x3x4x5x6x7
y2y1y0
F
x8
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PALMatriz AND programable y OR no programable
Compromiso entre las FPLA y PROMs (másrápidas que las FPLA y no tan grandes comolas PROMs)
Los términos productos comunes a variasfunciones tienen que ser implementados porduplicado
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PAL comercial: PAL16L8
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Problema: Programación de uncomparador de 4 bits Programar una PAL16L8 de forma que compare dos
números de cuatro bits. El sistema ha de producir tressalidas (X,Y,Z), donde X=1 sólo cuando A=B, Y=1 sólocuando A>B y Z=1 sólo cuando A<B.