Upload
tibor
View
29
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok Vizsgakérdések, 2008. 2) Logikai rendszerek A ma használatos VLSI áramkörök általában az alábbi öt logikai rendszer alapján épülhetnek fel: - statikus CMOS logika, - dinamikus CMOS logika, - transzfer gate-s logika - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
VLSI 1
Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens
szenzorokVizsgakérdések, 2008.
VLSI 2
2) Logikai rendszerek
A ma használatos VLSI áramkörök általában az alábbi öt logikai rendszer alapján épülhetnek fel:
- statikus CMOS logika,- dinamikus CMOS logika,- transzfer gate-s logika- bipoláris emittercsatolt (ECL) logika, mint az előzőek kiegészítője,- BiCMOS logika
VLSI 3
n n
p
p
Vcc
Y=A +B
C t
B
A
3) Statikus CMOS logika
-Hátrány:-Duál pMOS pull-up hálózat- 2xCbe bemeneti kapacitás, lassú
Előny:-Nincsenek időzítések, sem clock-Egyszerű a tervezés
VLSI 4
Y=A B
A
A
B
R1
A UrefB Y=A . B
Vcc
R2
Transzfer-gates logika (Pass gate logic)
Emittercsatolt logika (ECL)
Szint-helyreállítás
VLSI 5
Egylépéses áramösszegző D/A
DiDi128.I0T8T1
Iref
I
K7
I0
K0 K1
2.I0
VCC R1
-+
Uki
IRUki 1
-USS
K-kapcsoló
Virtuális föld
SínSín
VLSI 6
Uref
Feszültség-összegző kapacitív D/A átalakító
Uref
C0 2.C0128.C0
C0
K0 K1
Kv
K7
Uki
Cgnd
CrefUki
1
0)()(
)(
2
n
iii
refgndref
ref
refki
DU
CC
CUU
VLSI 7
R/2R létrás D/A átalakító
R
R1
-+
Uki
2R
R
2R
Iref
1
0
1
2
n
iii
refki
D
R
RUU
Uref
R
Uki
R
R
R
R
Ellenállás-osztós D/A átalakító
Bináris fa
Virtuális föld
VLSI 8
Áramok kapacitív tárolása
+-
C
ITÁR
+U
-U
VLSI 9
Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe
Cg s
S DKrsd
Ube
Cg d
Cd bCs b
G
C
Uki 0 5VVTn VTp
nMOS
pMOS
rON
Ube
Ube Uki
Unyitó
Unyitó
Unyitó
terhelő
RC=integráló tag !Spektrum…!
eredő
VLSI 10
C
Uoffset
1
2
2
1
+U+
Uki
U
Chopper-stabilizált komparátor
1
VLSI 11
Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő
)/(:
2
)()( 6542
5121
mSVmAmeredekség
IL
wKg
gggg
ggAAA
Dm
dsdsdsds
mmv
T1
T2
T8T6
T5
T4T3
T7
U+ U-
100A
100A
200A
1,14V
50A
100/0,6
1,8V
0,64V
1,14V
1,14V100/0,6
160/0,8
40/0,8
160/0,4
200/0,6
160/0,4
40/0,8
2pF300ΩUki1,2V
0,25m techn.
λn=0,02/V
λp=0,04/V
VTn=0,48V
VTp=-0,48V
G=70 dB
P=0,72mW
VLSI 12
K
Hibaképző éskompenzáló
Uki
Főerősítő
Ube
Chopper stabilizáltmellékerősítő
Chopper-stabilizált erősítő
VLSI 13
On-chip thermosztát
IREFUSzab
Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda
„fűtő”-tranzisztor
Ifűtő
Differenciál-erősítő
Szabályzóáramkör
VLSI 14
Rezgő ellenállás
ssequ fUUCfQI )( 2100
U1
C0
U2
U1 U2
C0
Rekv
0
21 1
CfI
UUR
sequequ
C0
U1 U2
U1
Kapcsoló
VLSI 15
Klasszikus EEPROM cella
n+ n+
Control gate
S D
tunnel oxid
+12V
0 V +12V
+12V
WRITE ERASE READ
0 V URead
+5V
+5V
+
to gate from gate
VLSI 16
VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei
1000 10,000 100,000
Full-custom (tipikus: mobil)
Darabszám
Cellás tervezés
Programozható(Gate-array, SoC)
Költség
Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció
VLSI 17
ÉS mátrix
VAGY mátrix
Bemenetek Kimenetek
Mintermek
54321 xxxxxf
PLA áramkörök elvi elrendezése
VLSI 18
A+B
A+B
A+B
VCC
Ai Bi
VCC
AB+ABAB+AB
R1
Statikus PLA áramkör
VLSI 19
Programozott áramkörök programtároló elemei
• Statikus flip-flop
• EEPROM/FLASH
• Antifuse
Q
n
pp
n
VCC
Tunnel
Drain
Control Gate
Source
Floating
Szigetelő
VLSI 20
Prog.
Prog.
inverz
Preset
Clear
EEPLD „Makrocella” felépítése
DP
Q
C
Bemenetekről Makrocellákról
I/O-ról
Output Enable
Global órajel
Cella órajel
Programozható flip-flop
I/O pin
Inputs
EEPROM cella
products
sum
VLSI 21
Programmable Interconnect Array (PIA)
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Global Clock
EPLD blokkvázlata (Altera)
VLSI 22
PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)
CLB
CLB
CLB
CLB
SWITCHMATRIX
- Programozható
- Szomszédos cellák között fix
- Globális vonalak
- Long-range vonalak
VLSI 23
ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem
n-adalékolt réteg
Poliszilicium vezeték
SiO2 szigetelőOxid-Nitrid-Oxid (ONO)ultravékony szigetelő
18VRnormal > 10 MΩ
Rátütött < 300Ω
VLSI 24
System-on-Chip (SoC) áramkörök
Dual-portmemória
FPGA
8-bitesmikrocontroller
VLSI 25
Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör
cella I/Ocellák
HorizontálisSínek: 5 x 1 local+ 2 express
Vertikális sínek: 5 x1 local+2expr.
vezetékek a memória és C felé
32 x 4 bitmemória
Csatlakozásilehetőség h/v
Segment =4 x 4 cella
50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O.
I/O cellákLocal: 4cella, Expr:8 cella
VLSI 26
S
System-on-Chip (SoC) áramkör
Cellák közti közvetlen kapcsolat
Kapcsolódási pontok
N
EW
SESW
NW NE
Cella
Express line
Local line
VLSI 27
Adatátviteli szabványok
1. Párhuzamos adatátvitel: berendezésen belül, byte, word, stb.
2. Soros átvitel: - órajel-vzetékes (clocked) adatátvitel - RS-232 (és változatai): mindkét oldalon „timebase” - órajel-visszaállítás adatból: preamble - egyvezetékes, órajel-hossz modulációs
Strobe Strobe
0 1
t
VLSI 28
0 1 2 3 4 5 6 7 8
START BIT
STOP BIT
LSB
Az RS-232 soros átviteli szabvány
VLSI 29
START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP
Az I2C soros átviteli szabvány
Eszköz címe
Bytecíme
1. Adat byte
2. Adat byte
Automatikuscíminkrementálás
ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalatACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be
A0
A1
A2
GND
VCC
x
DATA
CLK
Clock
Data
Start
Clock
Data
Stop
VLSI 30
1) Intelligens szenzor blokksémája
Szenzor Jel elő-készítő
JelfeldolgozóProcesszor
A/Dátalakító
Adatmemória
Programmemória
Adatátvitel
RF
VLSI 31
A szenzorok típusai
- hőmérséklet-mérésen alapulók
- mechanikai jellegűek
- kémiai érzékelők
- mágneses tereket érzékelők
- optikai és fény érzékelők
- sugárzások érzékelése
- biológiai, biofizikai érzékelők
VLSI 32
Szenzor alap-technológiák
- Hagyományos, diszkrét elemekből
- szilicium planar, System-on-Chip (SoC)
- MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)
- vékonyréteg techn.
- vastagréteg techn.
- mikrohullámú, optikai, stb.
VLSI 33
- szakaszos (sleep) üzemmód- optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek)-rádiófrekvenciás átvitel … távolságok ...?
Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás
VLSI 34
Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák
Eltávolítottoxidréteg
Szilicium szubsztrát
Leválasztottpoliszilicium réteg
Szilicium szubsztrát
Marással eltávolítottalapkristály (üreg)
Cantilever
Cantilever
Felületi MEMS technológia Tömbi MEMS technológia
• igen kis méretek
• jól integrálható
viszonylag nagyobb méretek
- integrálhatóság ?
VLSI 35
Sziliciumlapka
ellenállás
üreg
fém
Membrán
Kapacitív szenzor-háló
A klasszikus diszkrét nyomásmérő
Nyomásmérés
VLSI 36
Integrált nyomásérzékelő (Motorola)
68HC05 CPU Analóg
interface
SPI
4K EPROM
MEMSnyomás-mérő
RAM
CompBias
8-bitA/Dconv
VLSI 37
Xsensor (USA) tapintás-érzékelő
1 tenyér-érzékelő: 21 * 21 szenzor, 2,5mm felbontás• 4 ujj-begy érzékelő, 9 * 9 szenzor, 1,25 *1,25 mm, felbontás = 1,5 mm• Nyomásérték 0-1 atm• 60,000 érzékelési pont/sec feldolgozási sebesség
VLSI 38
Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás- pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként- a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság
100m
200m200m
VLSI 39
Tapintásmérő jel-erősítőU1
VCC
VCC
Érzékelő
R1
R2RREF
RMÉRŐ
U2
helipot
Uk
dekóder
Sín
PAD
Tapintó-érzékelőa panelen
VLSI 40
Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa
Fésű-elrendezésű aktuátor
Érzékelt mechanikai erőhatás
Áram érzékelésMeghajtófeszültség
Horgony
VLSI 41
UG Referencia-elektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
VLSI 42
UG
Referenciaelektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
ion-szelektív áteresztő membrán
hydrogel
VLSI 43
Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő
p72
ReferenciaChemFET
ChemFET
Szelektívvédőburok
Mérendő gáz
VLSI 44
Multi-szenzoros elrendezés
Minimum 3 szerves anyag érzékelése
Szigeteletlen, lebegő gate
S1
S2
S3 D3
D2
D1
Ablak
VLSI 45
Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével
Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC
E2 mérőelektróda
Szigetelő membrán
p-szilícium szubsztrát
n-szilícium sziget
Hőmérséklet-érzékelő
Poliszilícium fűtőellenállás
Vastag-réteg film SnO2 ellenállás
E1 mérőelektróda
VLSI 46
Rt
Piezoelektromos kerámia
Ug
Adó Vevő
Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW)
mmsm
f
v
g
piezopiezo 1,0
1030
/31006
Hullámhossz:
Átvitt sáv függ:ujjak mérete, száma
30 MHz
Aktív réteggel bevont nyitott ablak
VLSI 47
Felülethullámú szűrő (SAW) alkalmazása gázérzékelőként
White, Procc. IEEE 1970/58 p32
Gerjesztés
Fém-elektródák
Hullám-terjedés
Detektálás
Levált szemcsék
A levált szemcsék megváltoztatják a terjedési sebességet,a szűrőt egy visszacsatolt rendszerbe helyezve, annak önfrekvenciája megváltozik
Piezo-elektromos hordozóGázérzékelő bevonattal
VLSI 48
A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja
1 10 0Start
Power up Write Read 16-bit digitalizált érték10-bit csatorna cím
Start 000 1
( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből)
Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P 90mW
r12
Δ
db
a
dl2
dl2
x
VLSI 49
Szilícium MEMS mérőtű
Átmérő: 25-50mMérhető terület: 100m2
Méréshatár: 20V-1mVSávszélesség: 10kHz
Stimuláló/mérő pontok
Kimenetiszalagkábelek
Hordozó lemez
Összekötővezetékek Jelfeldolgozó
áramkör
VLSI 50
Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése
ASKdekóder
Clockrecovery
10bit A/D
Power onReset
Endekóder
RegiszterekControlLogika
Táp
OszcillátorKeverő
MUX
Aktívtransmit
E-oszt.meghajtó
4 MHz60 kb/s6-15V2 mW
250 ksample/s1,4mW / 3V
VLSI 51
Rádiófrekvenciásan táplált SoC áramkörösretina implant
Micro konnektor kábel
Micro konnektor kábel
Video Kamera
Retina
Látóideg
Hermetikus lezárás
RF antenna
System on Chip(SoC) áramkör
Szemüveg
VLSI 52
4 x 4-es beültetett retina elektróda felvétele
A flexibilis vezetőkkelellátott szalagbabeépítettplatina-elektródákmérete: 260m, vagy 520m átmérő
A chip mérete: 4 x 5 mm
„Az elektróda gerjesztia cellákat, de nem tudjuk,hányat…”