Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

VLSI1 Szenzorok főbb típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "VLSI1 Szenzorok főbb típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill."— Előadás másolata:

1 VLSI1 Szenzorok főbb típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill. ultrahangos SENSOR

2 VLSI2 Előállítási technológiák - Hagyományos, diszkrét elemekből - szilicium planar, System-on-Chip (SoC) - MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) - vékonyréteg techn. - vastagréteg techn. - mikrohullámú, optikai, stb. SENSOR

3 VLSI3 Intelligens szenzor blokksémája Szenzor Jel elő- készítő Jelfeldolgozó Processzor A/D átalakító Adat memória Program memória Adatátvitel RF

4 VLSI4 - kompenzálás, kalibrálás - analóg-digitál átalakítás - jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés - tárolás - adatátvitel - programozhatóság, adaptivitás, öntanulás - Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test) Szenzorok intelligenciája SENSOR

5 VLSI5 - szakaszos (sleep) üzemmód - optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek) -rádiófrekvenciás átvitel …távolságok...? Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás SENSOR

6 VLSI6 Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák Eltávolított oxidréteg Szilicium szubsztrát Leválasztott poliszilicium réteg Szilicium szubsztrát Marással eltávolított alapkristály (üreg) Cantilever Felületi MEMS technológia Tömbi MEMS technológia igen kis méretek jól integrálható viszonylag nagyobb méretek -integrálhatóság ? SENSOR

7 VLSI7 Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás - pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás  elsőként - a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság 100  m Mechanika

8 VLSI8 V1V1 GND V DD V2V2 V3V3 V4V4 Változó (megnyomott) ellenállások Referencia ellenállások Lebegő híd MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza 6 kivezetés/híd Mechanika

9 VLSI9 Tapintásmérő jel-erősítő U1U1 V CC Érzékelő R1R1 R2R2 R REF R MÉRŐ U2U2 helipot UkUk dekóder Sín PAD Tapintó-érzékelő a panelen Mechanika

10 VLSI10 MOS kapacitív érzékelő polymer Mérési pont Polymer-kapacitás (veszteséges) Oxid-kapacitás SiO 2 n-szilícium GND fémcsíkok

11 VLSI11 UGUG Referencia-elektróda SiO 2 Folyadék-tér n-drain A tranzisztor I D (U GS )-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor p-szilícium n-source USUS UDUD csatorna Kémia

12 VLSI12 UGUG Referencia elektróda SiO 2 Folyadék-tér n-drain A tranzisztor I D (U GS )-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor p-szilícium n-source USUS UDUD csatorna ion-szelektív áteresztő membrán hydrogel Kémia

13 VLSI13 Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő p72 Referencia ChemFET Szelektív védőburok Mérendő gáz Kémia

14 VLSI14 Multi-szenzoros elrendezés Minimum 3 szerves anyag érzékelése Szigeteletlen, lebegő gate S1S1 S2S2 S3S3 D3D3 D2D2 D1D1 Ablak Kémia

15 VLSI15 Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével Hotplate hőmérséklet: o C E 2 mérőelektróda Szigetelő membrán p-szilícium szubsztrát n-szilícium sziget Hőmérséklet-érzékelő Poliszilícium fűtőellenállás Vastag-réteg film SnO 2 ellenállás E 1 mérőelektróda Kémia

16 VLSI16 Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal Változó ellenállás Kémia

17 VLSI17 A 32-csatornás „szita” érzékelő vázlata Külső adótekercs C-buffer C-hangoló vevőtekercs Külső adótekercs Szilícium szalagkábel Szilícium szita Elektróda (MEMS) Üveg tokozás On-chip elektronika C-tároló Adó  Controller Elvágott és a szitán átnövő, regenerálódott idegszálak Neural

18 VLSI18 A 32-csatornás „szita” érzékelő külső egysége CLK Órajel- generátor Burkoló detektor vevőtekercs Adótekercs Adó Feszültség- szabályozó Adat-kódoló Mért jel Vezérlő bemeneti jel C-hang. VDD GND Neural

19 VLSI A 32-csatornás „szita” érzékelő belső egysége Áram- fesz. konv. Power on reset A/D konverter Controller Mért jel VDD GND CLK Vezérlő- jel Elektródák Csatorna- szelektor Előerős. I REF Előerős. 2:1 Analóg multiplexer (Egyidejűleg két, tetszés szerint kiválasztott elektróda potenciálját méri) Neural

20 VLSI20 A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja 1100Start Power upWriteRead16-bit digitalizált érték10-bit csatorna cím Start0001 ( 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 Neural

21 VLSI21 Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése ASK dekóder Clock recovery 10bit A/D Power on Reset Endekóder Regiszterek Control Logika Táp Oszcillátor Keverő MUX Aktív transmit E-oszt. meghajtó 4 MHz 60 kb/s 6-15V 2 mW 250 ksample/s 1,4mW / 3V Neural

22 VLSI22 Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe C g s S D K r sd U be C g d C d b C s b G C U ki 0 5V V Tn V Tp nMOS pMOS r ON U be Analóg U be U ki U nyitó terhelő RC=integráló tag ! Spektrum…! eredő

23 VLSI23 K Hibaképző és kompenzáló U ki Főerősítő U be Chopper stabilizált mellékerősítő Chopper-stabilizált erősítő Analóg

24 VLSI24 Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő T1T1 T2T2 T8T8 T6T6 T5T5 T4T4 T3T3 T7T7 U+U+ U-U- 100  A 200  A 1,14V 50  A 100/0,6 1,8V 0,64V 1,14V 100/0,6 160/0,8 40/0,8 160/0,4 200/0,6 160/0,4 40/0,8 2pF 300Ω U ki 1,2V 0,25  m techn. λ n =0,02/V λ p =0,04/V γ=0,4 [V -1/2 ] V Tn =0,48V V Tp =-0,48V G=70 dB GBW=75MHz φ m =55 o P=0,72mW Analóg

25 VLSI25 On-chip thermosztát I REF U Szab Hőmérséklet-mérő Szilícium-dióda „fűtő”- tranzisztor I fűtő Differenciál-erősítő Szabályzó áramkör Faichild, 1964 Analóg

26 VLSI26 Egylépéses áramösszegző D/A DiDi DiDi 128. I 0 T8T8 T1T1 I ref  I I K7K7 I0I0 K0K0 K1K1 2.I02.I0 V CC R1R1 - + U ki   IRU ki1 -U SS K-kapcsoló D/A conv Virtuális föld Sín

27 VLSI27 Áramok kapacitív tárolása + - C I TÁR +U -U D/A conv

28 VLSI28 Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító d D/A conv

29 VLSI29 d Φ3Φ3 Φ1Φ1 Φ2Φ2 T3T3 +V - + I REF T1T1 T2T2 C1C1 C2C2 C3C3 d (Φ 1 + Φ 2 ) + Φ 4 -V Φ1+ Φ3Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3Φ2+ Φ3 Áram- komparátor Ha I X >I REF, akkor d=1 I3I3 I2I2 I1I1 D/A conv I 3 „átmásolása” C 1 és C 2 -be….

30 VLSI30 Áramkapcsolós A/D további lépései - + C I 2. lépés: d=1, S=0 I 3 = 2I BE I 1 =I 2 =2I BE -I REF I 3 =(I 1 +I 2 )=4I BE -2I REF 4I BE -2I REF >I REF → I BE >3/4 I REF 3. lépés: d=1, S=0 I 1 =I 2 =I 3 -I REF =4I BE -3I REF I 3 =(I 1 +I 2 )=8I BE -6I REF 8I BE -6I REF >I REF → I BE >7/8 I REF -U +U D/A conv

31 VLSI31 VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei ,000100,000 Full-custom (tipikus: mobil) Darabszám Cellás tervezés Programozható (Gate-array, SoC) Költség Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció PLA

32 VLSI32 Programozott áramkörök programtároló elemei Statikus flip-flop EEPROM/FLASH Antifuse Q n p p n V CC Tunnel Drain Control Gate Source Floating Szigetelő FPGA

33 VLSI33 Prog. inverz Preset Clear EEPLD „Makrocella” felépítése D P Q C BemenetekrőlMakrocellákról I/O-ról Output Enable Global órajel Cella órajel Programozható flip-flop I/O pin Inputs EEPROM cella products sum FPGA

34 VLSI34 Programmable Interconnect Array (PIA) Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Global Clock EPLD blokkvázlata (Altera) FPGA

35 VLSI35 PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK (XILINX) CLB SWITCH MATRIX - Programozható - Szomszédos cellák között fix - Globális vonalak - Long-range vonalak FPGA

36 VLSI36 ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem n-adalékolt réteg Poliszilicium vezeték SiO 2 szigetelő Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) ultravékony szigetelő 18V R normal > 10 MΩ R átütött < 300Ω FPGA

37 VLSI37 System-on-Chip (SoC) áramkörök Dual-port memória FPGA 8-bites mikrocontroller FPGA

38 VLSI38 Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör cella I/O cellák Horizontális Sínek: 5 x 1 local + 2 express Vertikális sínek: 5 x 1 local+2expr. vezetékek a memória és  C felé 32 x 4 bit memória Csatlakozási lehetőség h/v Segment = 4 x 4 cella 50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O. I/O cellák Local: 4cella, Expr:8 cella FPGA

39 VLSI39 S Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör Cellák közti közvetlen kapcsolat Kapcsolódási pontok N E W SESW NWNE Cella Express line Local line FPGA

40 VLSI40 3 Interruptok System controlÓrajel A/D konverter Timer1 Timer 2 Watchdog Perifériás int. Soros interfész CPU RAM Data EEPROM EPROM Port A Vcc,a Vss,a InterruptsXTAL Reset Mód Data Control Address high Address low Rx Tx PWM Event PWM Event I/O 8888 Analóg bemenetek Vcc Vss 8-bites microcontroller blokksémája Proc.

41 VLSI41 Mikrokontrollerek főbb jellemzői von Neumann, vagy Harvard-típusú felépítés Sebesség (egy művelet végrehajtási ideje) Program-memória típusa (Flash) és mérete On-chip RAM mérete Külső memória-bővítés Fogyasztás aktív üzemben Kisfogyasztású, takarékos üzemmódok Utasítás-készlet (RISC) On-chip A/D ill. D/A átalakító Interfészek (I 2 C, CAN, USB) Extra szolgáltatások Proc.

42 VLSI42 ”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok Különböző, nem egységes elnevezések: Power-save, Standby, Sleep, stb. Módok: 1. Egyes egységek leállítva, program szerint („Half active”) 2. Sleep: csak az „awake”-figyelés működik 3. Mint „Sleep”, de közben számolja az időt és időre visszatér 4. Csak interfész-t figyel 5. „HALT” leállítja az órát, minden leáll – reset-tel vagy külső órával indítható újra 6. Sub-clock (NEC találmány): 30kHz-es clock-ra vált át. Proc.

43 VLSI43 SW Reset Capture PWM 16-bit capture/ compare reg. compare 16-bit capture/ compare reg. 16-bit számláló 8-bit előszámláló Esemény bemenet Flag+Int. Overflow Ext. reset Timer/Counter egység Proc.

44 VLSI START BIT STOP BIT LSB Az RS-232 soros átviteli szabvány Interface Mintavétel 33% és 66%-nál


Letölteni ppt "VLSI1 Szenzorok főbb típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill."

Hasonló előadás


Google Hirdetések