一种反熔丝型FPGA半编程电压驱动电路的制作方法

本发明属于驱动电路技术领域，特别涉及一种用于反熔丝FPGA的半编程电压驱动电路设计。

背景技术：

FPGA根据编程逻辑结构的不同，可以分为基于SRAM结构的FPGA、基于反熔丝结构的FPGA等。由于反熔丝单元占用版图面积小，同等规模下，反熔丝FPGA的布线资源比SRAM结构FPGA丰富的多。而且反熔丝FPGA编程后，掉电程序不丢失，使用方便。反熔丝结构抗辐照能力强，性能安全可靠，适合军用和宇航级器件。反熔丝是一种由两个导通层之间加一层绝缘层构成的半导体器件，在绝缘体导通之前相当与很大的电阻，电路上处于开路状态。在电流反复冲击下，绝缘体导通，此时反熔丝相当于小电阻，电路上处于导通状态。

为了防止反熔丝FPGA在编程的过程中错误地烧录其它反熔丝单元，需要在编程前经过一个预充电的过程。一般地，芯片编程前的预充电压是由编程电压源VPP提供的，布线通道中的所有垂直线和水平线都被会驱动上VPP/2的预充电压。由于金属布线通道有一定的电荷保持能力，所有反熔丝垂直线和水平线的驱动电压会维持一段时间为VPP/2。接着，待编程的反熔丝单元在编程时，一端被驱动到地电压GND，一端被驱动到编程电压VPP，而处于同一通道的其它的反熔丝的另一端还是保持之前的预充电压VPP/2，其两端的电压差为编程电压的一半，不足以击穿，因而不会被误编程。然而这种方式对反熔丝布线通道的电荷保持能力要求很高，若在编程过程中，某行或某列通道中预充电压泄放得很快，则可能出现误编程的情况。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种反熔丝FPGA半编程电 压驱动电路设计。

本发明所采取的技术方案是：一种反熔丝FPGA半编程电压驱动电路设计。其特征在于，采用高电压电源VSV和工作电压源VCCA一起作为电路结构的电源信号，输入信号是半编程电压信号VKS，通过电路结构转化成需要的预充电压值VKS-OUT，并通过三种编程路径驱动到反熔丝阵列特定的垂直线和水平线上。

根据本发明的一个方面，采用高电压电源VSV和工作电压源VCCA一起作为电路结构的电源信号。即使输入信号VKS为0V，半编程电压驱动电路的输出结果也可以为某一固定电压值。

根据本发明的一个方面，半编程电压VKS通过三种编程路径驱动到反熔丝阵列特定的垂直线和水平线上。第一种路径要经过数据寄存器选择驱动到垂直线上；第二种路径要经过通路晶体管驱动到垂直线上，第一个通路晶体管由数据寄存器控制，第二个通路晶体管由VKS-CTRL信号控制；第三种路径的第一个通路晶体管在编程时是常开的，栅极电压信号来自高电压电源VSV，第二个通路晶体管由VKS-CTRL信号控制。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的半编程电压VKS的预充电示意图。

图2为本发明一种实施方式的半编程电压驱动电路VKS-Driver的电路原理图。

图3为本发明一种实施方式的半编程电压VKS的驱动路径图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细描述。

图1所示为本发明的一种实施方式的半编程电压VKS的预充电示意图。在图1(a)中，待编程的反熔丝单元102为白色圆圈，若第二根垂直线的预充电压值由VPP/2泄放到0V，则101所示的反熔丝单元两端的电压差为VPP，就会被误编程。为了解决这种问题，在反熔丝FPGA的芯片设计中增加了特殊的半编程 电压源VKS和相应的驱动电路，专门为编程期间反熔丝阵列中某些特定的垂直线和水平线提供持续半编程电压VKS，这样可以有效地避免由于预充电压泄放过快而导致的误编程情况。在图1(b)中，待编程反熔丝单元为103，第二根垂直线上的预充电压信号由原先的VPP/2变为VKS，它们在数值上相等，并且预充电压信号VKS由半编程电压源VKS持续提供，不会发生损耗，这样就能避免垂直线上预充电压泄放过快而产生被误编程的反熔丝单元。

图2所示为本发明的一种实施方式的半编程电压驱动电路VKS-Driver的电路原理图。从中可以看出，它采用高电压电源VSV和工作电压源VCCA一起作为电路结构的电源信号，输入信号是半编程电压信号VKS，通过电路结构转化成需要的预充电压值VKS-OUT。偏置电压电路不仅为半编程电压驱动电路VKS-Driver提供偏置电压信号GN、GN1和GP，由偏置电压电路电压监测控制模块产生的数字逻辑信号OUT也被作为VKS-Driver中某些晶体管的栅极电压信号。通过这种方式，就可以避免采用额外的电路来产生栅极控制信号，大大简化了芯片的电路设计。VKS-Driver利用其电路结构可以将高电压电源VSV转化成某一特定的电压输出值，即使输入信号VKS为0V，VKS-Driver的输出结果也可以为某一固定电压值。这种特性使得半编程电压信号VKS在经过VKS-Driver后会有一定的抬升作用，因而VKS-OUT的值将比半编程电压信号VKS的值大。可以充分利用这种特点，将VKS-OUT的值抬升到一定的程度，因为预充电压VKS-OUT由于编程路径上阻值的影响，在经过编程路径时会有一定的损耗，这样最后驱动到反熔丝单元上的预充电压正好同半编程电压VKS的数值一样。

图3所示为本发明的一种实施方式的半编程电压VKS的驱动路径图。为了提高反熔丝FPGA的编程效率，使反熔丝FPGA的芯片设计和布局更加灵活多变，经过驱动电路VKS-Driver的半编程电压VKS通过三种编程路径驱动到反熔丝阵列特定的垂直线和水平线上。如图3中301所示，第一种路径要经过数据寄存器选择驱动到垂直线上；302所示为第二种路径，这种路径要经过通路晶体管驱动到垂直线上，第一个通路晶体管由数据寄存器控制，第二个通路晶体管由VKS-CTRL信号控制；303所示为第三种路径，和第二种路径类似，也要 经过通路晶体管，不过第一个通路晶体管在编程时是常开的，栅极电压信号来自高电压电源VSV，第二个通路晶体管由VKS-CTRL信号控制，另外，半编程电压VKS只会驱动到固定水平线上，一般是电源线、地线、时钟线。在反熔丝FPGA的布线结构中，垂直布线通道通常以组为单位，多根垂直线形成一组。若要给某一组某一根垂直线驱动上编程电压时，数据寄存器首先会打开这一组的VPP通路晶体管，指定的数据寄存器会给这一组指定的垂直线驱动上编程电压，其余的垂直线则会驱动上图3中路径1产生的预充电压VKS。其它组由于VPP通路晶体管被关断，而数据寄存器链会将路径2的预充电通路晶体管打开，半编程电压VKS会通过路径2驱动到垂直线上。通过路径3产生的半编程电压VKS只能驱动到固定的水平线上，一般是电源线、地线、时钟线，其余的水平线则由预充电期间提供的VPP/2来保持。由于电源线、地线、时钟线都属于横穿芯片的水平长线，电荷保持能力较差，所以需要提供持续的预充电压，避免反熔丝单元被误编程。不同预充电路径的选择通过VKS-CTRL信号来控制，而VKS-CTRL信号的产生由外部数据控制，从而选择指定的垂直线和水平线进行预充电。反熔丝FPGA通过这种方式来加载驱动预充电压，不仅提高了芯片编程的可靠性，而且在电路设计上更加灵活多变。