Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok Vizsgakérdések, 2008

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…”