现场可编程门阵列(FPGA)模拟电路设计研究.doc

硕士学位论文MASTERDISSERTATION论文题目：现场可编程门阵列(FPGA)模拟电路设计研究学科专业：微电子学与固体电子学指导教师：教授博导作者姓名：班级学号：分类号密级秘密内部10年UDC独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路产品，该产品既解决了定制电路的不足，又避免了原有可编程器件门电路资源有限的缺点。随着工艺尺寸的逐渐减小，现场可编程门阵列FPGA与专用集成电路ASIC之间的性能差异正在逐渐减小。相比较ASIC而言，由于FPGA的动态可重配置特性极大降低了电路设计公司在产品设计过程中的设计风险与设计成本，缩短了产品上市的时间，减少了用户升级系统所带来的硬件花费。因此，越来越多的电路设计公司开始逐渐使用FPGA作为产品研发与测试的硬件平台。本课题来源为总装备部国防技术重点预研项目和国家863研究发展计划中“可编程逻辑器件”课题的子项目。课题的目的是研究工作电压为2.5V的FPGA芯片中模拟电路的设计方法，其研究范围主要包括I/O接口电路和FPGA芯片的电源模块。本课题打破了FPGA核心关键设计技术和产品制造被国外公司所垄断的不利局面，满足了国防和工业生产的需要。本论文采用正向和逆向相结合的设计方法，以正向设计思想为指导方向，同时借鉴国外先进的设计经验，以研制支持多达16种高性能接口标准的可动态配置I/O端口，最高工作频率为200MHz，可用逻辑资源为10万门，内部包含总量达40K的用户可用RAM阵列，消耗晶体管个数为530万的现场可编程门阵列FPGA芯片为突破口，完成了可用I/O管脚资源为180、404和512的系列FPGA产品模拟电路的设计。其中I/O管脚资源为180的FPGA产品具有小于4.8ns的输入延时和小于4.0ns的输出延迟，并能够满足FPGA芯片200MHz的最高工作频率。本文中的电路采用TSMC0.22um1P5M标准CMOS工艺制程，使用全定制电路与版图设计方法。经仿真验证，该系列FPGA产品所达到的主要技术参数指标，均优于国外同类产品水平。本文的主要创新点为利用SRAM技术的在系统可编程特性，结合模拟电路设计方法的特点，提供了一种能够同时满足多标准接口应用与可动态配置要求的I/O摘要II接口电路结构。该结构相比过去的各种I/O接口电路结构而言，不但节约了芯片面积，而且能够支持多种不同的接口标准。本文所设计的多标准高性能接口电路已应用在采用陶瓷封装形式的FPGA中，该产品解决了国外同类型产品没有军品级器件的问题，满足重点军事工程的需求。本文所设计的电路已完成后端版图设计与仿真验证，目前处于流片阶段，其他系列产品的设计均按型谱项目的进度要求正在进行中。该系列产品的研制成功打破了国外对该系列器件的禁运，为我军关键电子元器件的国产化贡献了力量。关键词：FPGA可动态配置I/O多标准5V容许Weak-KeeperABSTRACTIIIABSTRACTFPGAwastheabbreviationoftheFieldProgrammableGateArray.Itwasbaseontheprogrammabledivices,suchasPALandEPLD.ItoffsettheASICsdisadvantagewhoselogicresoucewastooless.Withthecharactersizesmallerandsmaller,thedistanceofperformancebetweenFPGAandASICwassmallerandsmaller.ButFPGAdecreasedtheriskandcostintheproductdesign,foritscharacterofthedynamicreuse,andshortenthetimewhichtheproductcomeintothemarket.AndmoreandmoreFablessbegantouseitasthedesignandtestplatform.ThisresearchsubjectcamefromHi-TechResearchandDevelopmentProgramofChinaandGeneralEquipmentHeadquarters.Itaimedatdevelopingseriesproductsof2.5vFPGA,includingI/Ointerfacecircuitandpowersystem,breakingthroughtheadversesituationasalloftheFPGAproductsanddesigntechnologyweremonopolizedbyseveralAmericancompanies,andsatisfyingurgentdemandsofnationaldefence.Amethodof“top-down”designandreversedesignwasadoptedinthispaper.Wetooktheideaof“top-down”designasguidance,aswellasusedforeignadvanceddesignexperienceforreferenceanddevelopedaFPGAcontaining20*30CLB-arrays,aninternalcounterof200MHz,100Kgates，supporting16high-performanceinterfacestandardsasabreakthrough,aseriesofFPGAfamilyproducts,whosemaximumavailableI/Onumberis180,404and512,havebeendevelopedrespectively.The180-I/OFPGAhasa4.8nspin-to-pininputdelayand4.0nspin-to-pinoutputdelayorless.Thispaperwasbasedona0.22um1P5MstandardCMOStechnologyprocess,andonadesigntechnologyofcustomlayout.TheprimarytechnologyparametersoftheFPGAfamilyproductsaccomplishtheforeignadvancedlevelofkindredproducts.NewideaofourresearchsubjectwasanewI/OcicuitstructurebyusingtheSRAMarraydesigntorealizein-systemprogrammableandthecharactersofanalogcicuitdesign.Thisstructurecanreducethechipareaandgivehigherperformance.The180-I/OFPGAchipwithceramicpackagessolvedtheproblemthattherewerenomilitarydevicesinforeignkindredproductsandsatisfiedtherequirementofABSTRACTIVimportantmilitaryengineering.Thisproducthasbeenfinishedthelayoutdesign.OtherdesignsoftheFPGAserieswerecompletedandwereaheadofthescheduleofplan.Theproductswereusedandapprobatedbymanycustomer,webroketheforbiddanceforthedevicesbyforeigncountries,andcontributedthatthekeydevicecanbeestablishedinChinaforourarmy.Keywords:FPGADynamic-configurationI/OMulti-standards5V-toleranceWeak-keeper目录V目录第一章绪论.11.1课题的背景和意义.11.1.1现场可编程门阵列简介.21.1.2SRAM编程技术介绍.31.1.3FPGA和ASIC的对比.41.1.4市场需求分析.61.2国内外研究现状与发展趋势.71.2.1国外研究现状.71.2.2国内研究现状.121.2.3未来发展趋势.131.3主要内容、创新及论文安排.13第二章FPGA多标准兼容可编程I/O相关技术研究.162.1架构技术研究.16