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《电子科技大学》 2009年
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FPGA中多标准可编程IO端口的设计

陈云峰  
【摘要】: 现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是可编程逻辑器件的一种,它的出现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来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)芯片,而且希望ASIC的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片,并且立即投入实际应用之中。现在,FPGA已广泛地运用于通信领域、消费类电子和车用电子。 本文中涉及的I/O端口模块是FPGA中最主要的几个大模块之一,它的主要作用是提供封装引脚到CLB之间的接口,将外部信号引入FPGA内部进行逻辑功能的实现并把结果输出给外部电路,并且根据需要可以进行配置来支持多种不同的接口标准。FPGA允许使用者通过不同编程来配置实现各种逻辑功能,在IO端口中它可以通过选择配置方式来兼容不同信号标准的I/O缓冲器电路。总体而言,可选的I/O资源的特性包括:IO标准的选择、输出驱动能力的编程控制、摆率选择、输入延迟和维持时间控制等。 本文是关于FPGA中多标准兼容可编程输入输出电路(Input/Output Block)的设计和实现,该课题是成都华微电子系统有限公司FPGA大项目中的一子项,目的为在更新的工艺水平上设计出能够兼容单端标准的I/O电路模块;同时针对以前设计的I/O模块不支持双端标准的缺点,要求新的电路模块中扩展出双端标准的部分。文中以低压双端差分标准(LVDS)为代表构建双端标准收发转换电路,与单端标准比较,LVDS具有很多优点: (1)LVDS传输的信号摆幅小,从而功耗低,一般差分线上电流不超过4mA,负载阻抗为100。这一特征使它适合做并行数据传输。 (2)LVDS信号摆幅小,从而使得该结构可以在2.5V的低电压下工作。 (3)LVDS输入单端信号电压可以从0V到2.4V变化,单端信号摆幅为400mV,这样允许输入共模电压从0.2V到2.2V范围内变化,也就是说LVDS允许收发两端地电势有±1V的落差。 本文采用0.18μm 1.8V/3.3V混合工艺,辅助Xilinx公司FPGA开发软件ISE,设计完成了可以用于Virtex系列各低端型号FPGA的IOB结构,它有灵活的可配置性和出色的适应能力,能支持大量的I/O标准,其中包括单端标准,也包括双端标准如LVDS等。它具有适应性的优点、可选的特性和考虑到被文件描述的硬件结构特征,这些特点可以改进和简化系统级的设计,为最终的产品设计和生产打下基础。设计中对包括20种IO标准在内的各电器参数按照用户手册描述进行仿真验证,性能参数已达到预期标准。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN791

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【引证文献】
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【参考文献】
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