Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok Vizsgakérdések, 2008.

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. Vcc p p A Y=A +B B C t n n 3) Statikus CMOS logika • Hátrány: • Duál pMOS pull-up hálózat • 2xCbe bemeneti kapacitás, lassú • Előny: • Nincsenek időzítések, sem clock • Egyszerű a tervezés VLSI

4. Transzfer-gates logika (Pass gate logic) A A Y=A  B B Emittercsatolt logika (ECL) Vcc Szint- helyreállítás R1 R2 B A Uref Y=A . B VLSI

5. å = U R I ki 1 Egylépéses áramösszegző D/A VCC R1 Virtuális föld Sín I - Sín Uki Iref + K7 K0 K1 I0 2.I0 T1 T8 128.I0 Di Di K-kapcsoló -USS VLSI

6. K7 Feszültség-összegző kapacitív D/A átalakító Kv Uki C0 Cref 128.C0 C0 2.C0 Uref Uki K0 K1 Cgnd Uref VLSI

7. - n 1 R D å = × i 1 U U ki ref i R 2 = i 0 R/2R létrás D/A átalakító Ellenállás-osztós D/A átalakító Iref Uref R R R 2R 2R R R1 R Uki - Uki R Virtuális föld + R Bináris fa VLSI

8. Áramok kapacitív tárolása +U ITÁR + - C -U VLSI

9. Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe Unyitó Uki Ube nMOS rON Unyitó Unyitó G pMOS Cg s Cg d rsd K D S Uki VTn Ube VTp 0 5V Ube Cd b Cs b eredő C terhelő RC=integráló tag ! Spektrum…! VLSI

10. Chopper-stabilizált komparátor 1 2 Uoffset U C Uki 1 + U+ 1 2 VLSI

11. 1,8V T6 T7 T8 1,14V 100/0,6 200/0,6 100/0,6 100A 200A T1 1,14V 160/0,4 T2 300Ω 2pF U+ U- 160/0,4 1,14V Uki 100A 1,2V 0,64V T5 50A 160/0,8 T4 T3 40/0,8 40/0,8 Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő 0,25m techn. λn=0,02/V λp=0,04/V VTn=0,48V VTp=-0,48V G=70 dB P=0,72mW VLSI

12. Chopper-stabilizált erősítő Főerősítő Ube Uki Hibaképző és kompenzáló K Chopper stabilizált mellékerősítő VLSI

13. Ifűtő IREF USzab Szabályzó áramkör „fűtő”-tranzisztor Hőmérséklet-mérő Szilícium-dióda Differenciál-erősítő On-chip thermosztát VLSI

14. Rezgő ellenállás   Rekv U1 U2 U1 U2 C0 C0 U1 U2 C0  U1 Kapcsoló  VLSI

15. Control gate 0 V +12V +5V S D +12V + +5V +12V 0 V URead from gate tunnel oxid to gate READ ERASE WRITE + + n n Klasszikus EEPROM cella VLSI

16. VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció Költség Programozható (Gate-array, SoC) Cellás tervezés Full-custom (tipikus: mobil) Darabszám 1000 10,000 100,000 VLSI

17. Mintermek ÉS mátrix VAGY mátrix Bemenetek Kimenetek PLA áramkörök elvi elrendezése VLSI

18. VCC VCC R1 A+B A+B A+B Ai Bi AB+AB AB+AB Statikus PLA áramkör VLSI

19. VCC p p Q n n Control Gate Floating Drain Source Tunnel Szigetelő Programozott áramkörök programtároló elemei • Statikus flip-flop • EEPROM/FLASH • Antifuse VLSI

20. P Q D C EEPLD „Makrocella” felépítése Output Enable Preset EEPROM cella Programozható flip-flop inverz I/O pin sum Prog. Prog. products Cella órajel Inputs Clear Global órajel Bemenetekről Makrocellákról I/O-ról VLSI

21. I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O EPLD blokkvázlata (Altera) Global Clock Programmable Interconnect Array (PIA) VLSI

22. SWITCH MATRIX CLB CLB - Programozható • Szomszédos cellák • között fix CLB CLB - Globális vonalak • Long-range • vonalak PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX) VLSI

23. 18V ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem Poliszilicium vezeték SiO2 szigetelő Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) ultravékony szigetelő n-adalékolt réteg Rnormal> 10 MΩ Rátütött < 300Ω VLSI

24. System-on-Chip (SoC) áramkörök 8-bites mikrocontroller Dual-port memória FPGA VLSI

25. Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör 50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O. vezetékek a memória és C felé I/O cellák cella Vertikális sínek: 5 x 1 local+2expr. Horizontális Sínek: 5 x 1 local + 2 express Csatlakozási lehetőség h/v Segment = 4 x 4 cella 32 x 4 bit memória Local: 4cella, Expr:8 cella I/O cellák VLSI

26. System-on-Chip (SoC) áramkör N NW NE Express line W E Local line Cella Kapcsolódási pontok SW SE S Cellák közti közvetlen kapcsolat VLSI

27. 1 0 t Strobe Strobe Adatátviteli szabványok • Párhuzamos adatátvitel: berendezésen belül, byte, word, stb. • Soros átvitel: • - órajel-vzetékes (clocked) adatátvitel • - RS-232 (és változatai): mindkét oldalon „timebase” • - órajel-visszaállítás adatból: preamble • - egyvezetékes, órajel-hossz modulációs VLSI

28. LSB 2 4 5 6 7 8 0 1 3 START BIT STOP BIT Az RS-232 soros átviteli szabvány VLSI

29. A0 VCC x A1 A2 CLK GND DATA Az I2C soros átviteli szabvány Data Data Clock Clock Stop Start START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP Byte címe 1. Adat byte 2. Adat byte Eszköz címe Automatikus cím inkrementálás ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalat ACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be VLSI

30. Szenzor Adatátvitel 1) Intelligens szenzor blokksémája A/D átalakító Jel elő-készítő RF Jelfeldolgozó Processzor Adat memória Program memória 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. Implantált (hordozható) szenzorokAlapprobléma: fogyasztás • - szakaszos (sleep) üzemmód • - optimalizált algoritmusok • külső energiaforrások (transzponderek) • rádiófrekvenciás átvitel … távolságok ...? VLSI

34. Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák • igen kis méretek • jól integrálható Marással eltávolított alapkristály (üreg) Leválasztott poliszilicium réteg Eltávolított oxidréteg Cantilever Cantilever Szilicium szubsztrát Szilicium szubsztrát Tömbi MEMS technológia Felületi MEMS technológia viszonylag nagyobb méretek • integrálhatóság ? VLSI

35. ellenállás fém Membrán Szilicium lapka üreg Kapacitív szenzor-háló Nyomásmérés A klasszikus diszkrét nyomásmérő VLSI

36. Integrált nyomásérzékelő (Motorola) 68HC05 CPU 8-bit A/D conv Analóg interface Comp Bias SPI RAM MEMS nyomás- mérő 4K EPROM 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 • feldolgozásisebesség VLSI

38. 100m Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás - pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként - a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság VLSI

39. VCC Sín R2 RREF Tapintásmérő jel-erősítő R1 U2 Uk U1 RMÉRŐ VCC dekóder Érzékelő PAD helipot Tapintó-érzékelő a panelen VLSI

40. Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa Fésű-elrendezésű aktuátor Horgony Áram érzékelés Meghajtó feszültség Érzékelt mechanikai erőhatás VLSI

41. ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor UG Folyadék-tér Referencia-elektróda US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

42. ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor Referencia elektróda Folyadék-tér UG ion-szelektív áteresztő membrán hydrogel US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

43. Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő Mérendő gáz Szelektív védőburok Referencia ChemFET ChemFET VLSI p72

44. Multi-szenzoros elrendezés Ablak Szigeteletlen, lebegő gate S1 D1 S2 D2 S3 D3 Minimum 3 szerves anyag érzékelése VLSI

45. Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével Vastag-réteg film SnO2 ellenállás Hőmérséklet-érzékelő E2 mérőelektróda E1 mérőelektróda Szigetelő membrán p-szilícium szubsztrát Poliszilícium fűtőellenállás n-szilícium sziget Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC VLSI

46. Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW) Vevő Adó Rt Ug 30 MHz Átvitt sáv függ: ujjak mérete, száma Piezoelektromos kerámia Aktív réteggel bevont nyitott ablak Hullámhossz: VLSI

47. Felülethullámú szűrő (SAW) alkalmazása gázérzékelőként Levált szemcsék Piezo-elektromos hordozó Gázérzékelő bevonattal Fém-elektródák Gerjesztés Hullám-terjedés Detektálás A levált szemcsék megváltoztatják a terjedési sebességet, a szűrőt egy visszacsatolt rendszerbe helyezve, annak önfrekvenciája megváltozik VLSI White, Procc. IEEE 1970/58 p32

48. Δ dl2 b d r12 dl2 x a A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Start 1 0 1 0 Start 0 1 0 0 Power up Write 10-bit csatorna cím Read 16-bit digitalizált érték ( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből) Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P  90mW VLSI

49. Szilícium MEMS mérőtű Kimeneti szalagkábelek Átmérő: 25-50m Mérhető terület: 100m2 Méréshatár: 20V-1mV Sávszélesség: 10kHz Összekötő vezetékek Jelfeldolgozó áramkör Hordozó lemez Stimuláló/mérő pontok VLSI

50. MUX Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése ASK dekóder 250 ksample/s 1,4mW / 3V Clock recovery 10bit A/D Táp E-oszt. meghajtó Control Logika Regiszterek Power on Reset Endekóder 4 MHz 60 kb/s 6-15V 2 mW Keverő Oszcillátor Aktív transmit VLSI