大规模集成电路.docx
《大规模集成电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大规模集成电路.docx（73页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大规模集成电路
第6章大规模集成电路
*+*f毛电*r〜jIHr__*r.p龟3r*jn.「*jtr.工、*r*j,pFjtr、%.%•
;内容提要：
可编程逻辑器件是在半导体存储器基础上发展起来的一种大规模集成:
电路，它通过对器件内部的编程来改变器件的逻辑功能，可以实现在普通的实验:
室制作专用集成电路。
可编程逻辑器件主要有半导体存储器、通用阵列逻辑、现场可编程门阵列、在系统可编程逻辑器件等。
本章介绍这些电路的基本结构、工
:
作原理和初步的编程方法。
*
问题探究
1•图（a）为半导体存储器原理图，其中地址译码器的结构应该是怎样的？
我们前面学过的几种译码器哪一种可以用做地址译码器？
位线
M-1
数据输出
（a）
2•当地址输入很多，地址译码的地址不够时怎么办？
3.R0M存储矩阵的结构和原理？
存储矩阵有怎样的结构才能使所存数据可以通过编程实现？
目前这样的存储器有几种类型？
4•为什么要使用可编程器件？
它的发展前景和应用领域？
5•怎样实现编程？
用什么语言？
语言规则是什么？
6..你可以通过实验室验证的方法，研究编程过程。
6.1概述
随着科技的发展，集成电路生产工艺水平的提高，数字电路的集成度越来越大，从小规模（SSIC）、中规模（MSIC）、大规模集成电路（LSIC）发展到超大规模集成电路（VLSIC）。
品种也越来越多，如果从逻辑功能的特点上将数字电路分类，则可以分为通用型和专用型两类。
前面讲到的54/74系列及CC4000系列、74HC系列都属于通用型数字集成电路。
它们的集成度较低，逻辑功能固定，难于改变，通用型数字集成电路在组成复杂数字系统时经常要用到。
从理论上讲，用这些通用型的中、小规模集成电路可以组成任何复杂的数字电路系统，
但如果能把所设计的数字系统做成一片大规模集成电路，则不仅能减小电路的体积、重量、
第12章可编程逻辑器件94功耗，而且会使电路的可靠性大为提高。
这种为某种专门用途而设计的集成电路称为ASIC
（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）。
但是随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商独立承担。
这是由于定制的ASIC芯片要
承担一定的设计风险，制造周期较长，成本高，从而延迟了上市时间。
可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）是最基本的可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，缩写PLD），同时半导体存储器也在不断发展。
在半导体存储器基础上发展起来还有通用阵列逻辑GAL（GenericArrayLogic），现场可编
程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）和在系统可编程逻辑器件ispPLD（insytem
programmable）等。
这些可编程逻辑器件的出现，解决了ASIC的缺欠。
PLD是标准器件，在使用前其内部是“空的”，用一定的方式对其编程，可将其配置成特定的逻辑功能，有许多品种可反复修改，
使得产品设计变得容易，降低了设计的风险，缩短了上市时间。
6.2只读存储器ROM
存储器是存储信息的器件，用来存放二进制数据、程序等信息，是数字系统中不可缺少的部件，按功能半导体存储器分为两大类：
只读存储器ROM（Read-onlymemory）和
随机存储器RAM（Randomaccessmemory）。
只读存储器ROM的特点是信息存入以后，在电路的工作过程中只能读取不能随意改写信息，断电信息也不丢失。
而随机存储器的信息，在电路工作过程中可以根据需要随时存储或读出，断电信息就会丢失。
按器件类型分，
有双极型和场效应型的两大类。
双极型的速度快，但功耗大，使用较少；场效应型的速度较低，但功耗很小，集成度高，在大规模集成电路中采用很多。
半导体存储器是由多个存储单元组成，每个单元都能存放一位二进制数“1”或“0”,
通常称半导体存储器中存储单元的数目为存储容量。
6.2.1ROM的结构和工作原理
ROM的电路结构主要包括三部分：
输入缓冲器、地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器。
如图6.1所示。
地
址.
输.入
n
位线
M-1
数据输出
图6.1ROM的结构图
地址译码器是一个最小项译码器，有n个输入，它的输出Wo、W1、……、Wn-1，共
有N=2n个，称为字线。
字线是ROM矩阵的输入，ROM矩阵有M条输出线，称为位线。
字线与位线的交点，即是ROM矩阵的存储单元，存储单元个数代表了ROM矩阵的容量，
所以ROM矩阵的容量等于MXN。
输出缓冲器的作用有三个，一是能提高存储器的带负载能力；二是通过使能端实现对输出的三态控制，以便与系统的总线连接；三是规范逻辑电平，将输出的高、低电平变换为标准的逻辑电平。
图6.2是一个说明ROM存储单元和工作原理的电路图，ROM矩阵的存储单元是由N
沟道增强型MOS管构成的，MOS管采用了简化画法。
它具有2位地址输入，共4条字线
Wo、W1、W2、W3,有4位数据线输出，即4条位线Do、D1、D2、D3，共16个存储单元。
地址译码器的输入A1、Ao称为地址线。
二位地址代码可决定4个不同的地址，每输入一个地址，地址译码器的字线Wd~W3中将有一根为高电平，其余为低电平。
即
WoA1Ao
A1A0
WI2A1A0
W3A1A0
'1D2
“VDD
、位线
1
1I*I
W1乂2W字线
（a）ROM存储矩阵
\^^D0
图6.2ROM
（b）ROM矩阵中一条字线的分解图矩阵字线和位线的关系
当字线Wo~W3中某一根线上给出高电平信号时，就会在位线上输出一个4位二进制码。
D3
D2
D1
Do
W）
0
1
0
1
w
1
1
1
1
w.
0
0
1
1
Wj
1
0
1
1
经输出缓冲器反相后，在输出端输出高电平。
出的信息为[D3D2D1Do]=O1O1。
表6.1ROM中的存储数据
ROM全部4个地址内的存储内容见表
图6.2中有4X4=16个跨接在字线和位线上的存储单元，MOS管的栅极接字线，源极接地。
MOS管是否存储信息用栅极是否与字线相连接来表示，如果MOS管存储信息，该MOS管的栅极与字线连接，该单元是存“1”；如果该
MOS管不存储信息，则栅极与字线断开，该单元存“0”。
根据图6.2（a），在输出端加反相器，如输入一个地址码[A1Ao]=OO时，仅字线W0等于高电平。
接在字线Wo上的MOS管导通，并使与这些MOS管漏极相连的位线为低电平，
当地址输入[A1Ao]=OO时，从相应的位线上读
6.1,其中，与位线Do相连的各字线的有关部
分单独画在图12.2.2（b）中。
显然
Do=Wo+Wi+W2+W3A]A0A1A0A1AqA1Aq
Dl=Wl+W2+W3AiAqA1AqAAq
D2=Wq+WiA1AqA1Aq
D3=Wi+W3A1AqA1Aq
每一个位线与字线间的逻辑关系是或逻辑关系，位线与地址码Al、aq之间是与或逻辑
关系。
这里最小项译码器相当一个与矩阵，ROM矩阵相当或矩阵，整个存储器是一个与
或矩阵。
为了简单起见，不画出MOS管，接通的MOS管用小黑点表示，对应表6.1存储
内容的ROM矩阵用图6.3表示，这个简化图称为阵列图
图6.3ROM阵列图
ROM存储器的两个矩阵一般与矩阵是不可编程的，而或矩阵是可编程的。
编程时一般要通过专门的编程器，采用一定的编程工具软件进行，以决定存储单元的MOS管是否
接入。
不过存储单元上使用的MOS管是一种特殊的MOS管，将在下面介绍。
12.2.2ROM的分类
ROM按其内容写入方式，一般分为三种，固定内容ROM;可一次编程ROM（PROM）；可擦除ROM，又分为EPROM（紫外线擦除电写入）和E2PROM（电擦除电写入）等类型。
1•固定内容ROM
这种ROM是采用掩模工艺制作的，其内容在出厂时已按要求固定，用户无法修改，图6.2为固定内容ROM存储矩阵的例子。
由于固定ROM所存信息不能修改，断电后信息不消失，所以常用来存储固定的程序和数据。
如在计算机中，用来存放监控、管理等专用程序。
2.可一次编程PROM
PROM（ProgrammableROM）是可一次编程ROM。
这种存储器在出厂时未存入数据信息。
单元可视为全“0”或全“1”，用户可按设计要求将所需存入的数码“一次性地写入”，一旦写入后就不能再改变了。
这种PROM在每一个存储单元中都接有快速熔断丝，
在用户写入数据前，各存储单元相当于存入“1”。
写入数据时，将应该存“0”的单元，
通以足够大的电流脉冲将熔丝烧断即可。
哪些熔丝烧断，哪些保留，可用熔丝图表示。
在
其他没有熔丝结构的存储器中，也沿用熔丝图这一名词。
3.EPROM
为了克服PROM只能写入一次的缺点，又出现了可多次擦除和编程的存储器。
这种存储器在擦除方式上有两种，一种是电写入紫外线擦除的存储器EPROM（Erasableprogrammableread-onlymemory）。
另一种是电写入电擦除的存储器，称为EEPROM或
E2PROM（Electricallyerasableprogrammableread-onlymemory）。
EPROM内容的改写不象RAM那么容易，在使用过程中，EPROM的内容是不能擦除重写的，所以仍属于只读存储器。
要想改写EPROM中的内容，必须将芯片从电路板上拔
下，将存储器上面的一块石英玻璃窗口对准紫外灯光照数分钟，使存储的数据消失。
数据的写入可用软件编程，生成电脉冲来实现。
图6.4FAMOS管的结构
EPROM存储器之所以可以多次写入和擦除信息，是因为采用了一种浮栅雪崩注入MOS管
FAMOS（FloatinggateAvalancheinjectionMOS）来实现的。
浮栅型MOS晶体管的结构示意图如图6.4所示。
FAMOS的浮动栅本来是不带电的，所以在S、D之间没有导电沟道，FAMOS管处于截止状态。
如果在S、D间加入10~30V左右的电压使PN结击穿，这时产生高能量的电子，这些电子中的一部分有能力穿越SiO2层而驻留在多晶硅构成的浮动栅上。
于是浮栅被充上电荷，在靠近浮栅表
面的N型半导体形成导电沟道，使MOS管处于长久导通状态。
FAMOS管作为存储单元存储信息，就是
利用其截止和导通两个状态来表示“1”和“0”的。
要擦除写入信息时，用紫外线照射氧化膜，可使浮栅上的电子能量增加从而逃逸浮栅,
于是FAMOS管又处于截止状态。
擦除时间大约为10~30分钟，视型号不同而异。
为便于
擦除操作，在器件外壳上装有透明的石英盖板，便于紫外线通过。
在写好数据以后应使用不透明的纸将石英盖板遮蔽，以防止数据丢失。
4.E2PROM
EPROM要改写其中的存储内容，需要放到紫外线擦除器中进行照射，使用起来不太
方便。
E2prom（Electricallyerasableprogrammableread-onlymemory）是一种电写入电擦除的只读存储器，擦除时不需要紫外线，只要用加入10ms、20V左右的电脉冲即可完成擦
除操作。
擦除操作实际上是对E2PROM进行写“1”操作，全部存储单元均写为“1”状态,编程时只要对相关部分写为“0”即可。
E2PROM之所以具有这样的功能，是因为采用了一种浮栅隧道氧化层MOS管（Floating
gateTunnelOxide，简称Flotox）。
在Flotox管的浮栅与漏区之间有一个20nm左右十分薄
的氧化层区域，称为隧道区，当这个区域的电场足够大时，可以在浮栅与漏区出现隧道效应，形成电流，可对浮栅进行充电或放电。
放电相当写“1”，充电相当写“0”。
所以e2prom
使用起来比EPROM方便得多，改写重新编程也节省时间。
5.FlashMemory
快闪存储器FlashMemory是新一代E2PROM，它具有E2PROM擦除的快速性，结构又有所简化，进一步提高了集成度和可靠性，从而降低了成本。
目前除了各种快闪存储器的产品面世外，快闪存储器还向其他应用领域拓展，例如现在已经出现了应用于计算机上的可移动磁盘，以代替软磁盘。
快闪存储器磁盘的容量大的已经做到1G，大小只相当一只
普通的打火机，它采用USB口，可以带电插拔，工作速度快，使用十分方便。
可以预见
FlashMemory的进一步完善，有可能取代计算机的硬盘，更新和诞生许多电子产品。
6•集成只读存储器
在集成只读存储器中，最常用的是EPROM,EPROM
有2716、2732、2764、27128等型号。
存储容量分别为
2kX8、4kx8、8kx8、16kx8个单元，型号27--后面的数字即为以千位计的存储容量。
下面以EPROM2764为例说明
它的5种工作方式，见表12.2。
管脚引线如图6.5所示，共有28个管脚，除电源Vcc和地GND夕卜，A12〜Ao为地址译码器输入端，数据输出端有8位，用1/00~1/07表示，共
有213条字线，8条位线，存储容量为213X8。
CE是片选端，CE=H时2764的输出为高阻，与总线脱离；PGM为编程脉
冲输入线；OE数据输出选通线；Vcc=5V时，工作电流约100mA，维持电流50mA;Vpp编程电源，编程时25V，读出时Vpp=5V。
EPROM擦除需专用设备，写入时需要较高的电压，更改存储的数据不太方便。
而E2PROM在写数据时不需要升
VPP匚
-
1
28
□
VCC
A12匚
2276427
□
"PGMi
A7匚
3
26
1
NC
A6匚
4
25
1
A
A5匚
5
24
ZI
A
A4匚
6
23
2
A10
A3匚
7
22
□~OE
A2匚
8
21
Zl
A11
A1匚
9
20
□
"Ce
A。
匚
10
19
□
I/O7
I/O2匚
11
18
□
IQ
I/。
1匚
12
17
1
I/O5
I/O。
匚
13
16
□
I/O4
GND匚
14
15
□
I/O3
8k8EPROM
图6.5EPROM2764管脚图
和58064等。
压，电擦除所需时间也很短（几十毫秒），型号如2815/2816
表6.2EPROM2764的工作方式
工作方式
CE（20）
OE（22）
PGM（27）
Vpp
（1）
Vcc（28）
输出
（11-13,15-19）
读岀
Uil
Uil
Uih
Vcc
Vcc
DOUT
维持
Uih
任意
P任意
Vcc
Vcc
高阻
编程
Uil
Uih
Uil
Vpp
Vcc
DIN
编程检验
Uil
Uil
Uih
Vpp
Vcc
DOUT
编程禁止
Uih
任意
任意
Vpp
Vcc
高阻
6.2.3ROM的应用
ROM除了在单片机和微型计算机中存储运行程序外，还有多种用途，分述如下。
1.构成组合数字电路
在6.1的分析中我们知道，位线与相连的各字线的关系为或逻辑，而字线是地址码的最小项，所以W实际上是一个与项，从输出位线和地址输入关系看，D是一个最小项的与
或式。
在组合数字电路中我们知道任何一个组合数字电路都可以变换为若干个最小项之和的形式，因此都可以用ROM实现。
例6.1:
用ROM构成全加器。
解：
全加器的逻辑式为：
S（A,B,C0）ABC0ABC0ABC0ABC0m-im2m4m7
Ci（A,B,C°）ABC。
ABC。
ABC。
ABC。
m3m5m6m7
它有三个输入变量，加数A和B以及低位的进位信号Co,所以选用一个ROM，确定三个地址线，分别代表A、B和C0。
从输出位线中选二个，分别代表Si和Ci。
于是可以确定或矩阵中的存储单元。
图6.6用ROM构成全加器的阵列图
所以，用ROM构成组合数字电路的方法是先将逻辑函数化为最小项之和的形式，即与或标准型，然后画阵列图。
由上述分析可以知道用ROM构成组合数字电路时，不必象
用小规模集成逻辑门构成组合数字电路那样，应先进行化简。
因为ROM中给出了全部最
小项，用也存在，不用也存在。
其次，ROM一般都有多条位线，所以可以方便地构成比
较复杂的多输出组合数字电路。
6.3随机存储器
6.3.1RAM的结构和原理
RAM是RandomAccessMemory的缩写，通常称为随机存储器，它的特点是在工作过程中，数据可以随时写入和读出，使用灵活方便，但所存数据在断电后消失。
RAM电路由地址译码器、存储矩阵和读-写控制电路组成。
如图6.7所示,RAM中的核心是存储单元，其结构有双极型和MOS型两种。
图6.7RAM的结构框图
6.3.2RAM的存储单元
RAM按工作原理分为静态随机存储器SRAM（StaticRandomAccessMemory）和动态随
机存储器DRAM（DynamicRandomAccessMemory）两种。
1.静态存储单元
图6.8为六CMOS管组成的静态RAM存储单元。
图中〜VT4构成基本RS触发器,用以存储二进制信息。
VT5、VT6为门控管，其状态由行选择线Xi决定。
Xi=1时，VT5、
VT6导通，Q和Q的状态分别送至位线Bj和Bj。
VT7、VT8是每列存储单元的门控管，其
状态取决于列选择线Yj。
Yj=1时，VT7、VT8导通，数据端D、D和位线接通进行读（输出）、写（输入）等操作。
当Xi、Yj都为“1”时，存储单元进行读或写，这种状态称为选中。
只要Xi或Yj有一条线为“0”时，存储单元就处于维持状态。
行线
sr
VT1
VT3
；V?
6Q
位线
Bj
I
存储丄
I
VT81Yj列线
Xi
Vdd
读字线
VT4F峠预充脉冲
D
图6.8六管CMOS静态存储单元电路
VT7恨
D
VT1
写字线
写位线
迎5VT2
读位线
士Cd
图6.9三管动态存储单元
2•动态存储单元
动态存储单元是利用MOS管的栅极电阻十分大，栅极电容上存储的电荷短时间内不易消失，从而对信号起到存储作用。
但是时间不能太长，时间太长存储的信息就会丢失，所以动态存储器，需要隔一段时间就对栅极电容补充电荷，通常把这种操作称为刷新。
因
此DRAM的外围要配备刷新电路和相应的控制电路，整个电路要复杂一些。
图6.9是一个三MOS管动态存储单元，信息存储在VT2管的栅极电容Cg上，用Cg
上的电压控制VT2的状态。
读字线和写字线是分开的，读位线和写位线也是分开的。
读字线控制VT3管，写字线控制VT1管。
VT4管是同列若干存储单元写入时的预充管。
在进行读操作时，首先使位线上的电容Cd预充到Vdd，然后选通读字线为高电平，则
VT3管导通。
如果Cg上充有电荷，且Cg上的电压超过了VT2管的开启电压，则VT2导通。
那么Cd将通过VT3和VT2放电到低电平。
如果Cg上没有电荷，VT2管截止，Cd没有放电通路，仍保持预充后的高电平。
可见，在读字线上获得的电平和栅极电容Cg上的电平是相
反的。
通过读出放大器可将读字线上的电平数据送至存储器的输出端。
在进行写操作时，控制写字线为高电平，使VT1管导通。
由存储器输入端送来的信号
传输至写位线上，通过VT1管控制Cg上的电位，将信息存储到Cg上。
因为Cg存在漏电，需要对Cg上的信息定时刷新。
可周期性的读出Cg上信息到读字线上，经过反相器，再对存储单元进行写操作，即可完成刷新。
就存储单元本身而言DRAM的结构比SRAM简单，因此DRAM的集成度可以制作得更高。
但是，加上外围电路后，如读写电路、预充电路，DRAM的结构也比较复杂。
12.3.3集成RAM
集成RAM的种类也很多。
静态RAM如2114（容量为1kX4）、6116（2kX8）;动态RAM女口4116（16kX1）、4164（64kX1）、6264（8kX8）。
下面以MOTOROLA公司生产的MCM6264为例，说明RAM的使用情况。
图6.10为MCM6264的管脚图。
其中
A12〜A0为13根地址线，容量213x8bit;DQ7〜DQ0为8位写入读出数据线，E1、E2为片选端；G、W为读写控制端。
表6.3为功能表。
cc
2
IJ
E1E2GW
方式
I/O
HXxx
r无选择
高阻态
XLXX
无选择
高阻态
LHHH
输出禁止
高阻态
LHLH
读
DO
LHxL
写
DI
表12.36264功能表
aa0gnnmmnfl765432222222
76541QQQQalhddddinnmnnn
21
20
12亡亡auu匚匚匚匸odlalLJcaaaaaqqqNddd
3
Q
D
5
1
图6.106264管脚图
存储器在使用过程中如果容量不够，可以进行扩展。
用相同型号的存储器进行位数扩展时，将各片对应的地址线、片选端、读写控制端，分别接在一起，各片的数据输出端并列使用即可。
6.4可编程逻辑器件概述
6.4.1PLD的发展
可编程逻辑器件PLD出现于20世纪70年代，是一种半定制逻辑器件，它为用户最终
把自己所设计的逻辑电路直接写入到芯片上提供了物质基础。
使用这类器件可及时方便地研制出各种所需的逻辑电路，并可重复擦写多次，因而它的应用越来越受到重视，上节存储器中介绍的PROM、EPROM、E2prom皆属于可编程
逻辑器件。
可编程逻辑器件大致经历了从PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD、FPGA、CPLD的
发展过程，在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面都有很大的改进和提高。
可编程逻辑器件大至的演变过程如下：
1.70年代，熔丝编程的PROM和可编程逻辑阵列PLA（ProgrammableLogicArray）器件是最早的可编程逻辑器件。
2.70年代末，AMD公司开始推出可编程阵列逻辑PAL（ProgrammableArrayLogic）器件。
3.80年代初，Lattice公司发明可电擦写的，比PAL使用更灵活的通用阵列逻辑GAL
（GenericArrayLogic）器件。
4.80年代中期，Xilinx公司提出
升级会员 