Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Microelectronics1 Mikroelektronika 2007 - Gyorsműködésű logikai áramkörök - Memória áramkörök - Mikroprocesszorok és egységeik - Telecom áramkörök - Számítógép.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Microelectronics1 Mikroelektronika 2007 - Gyorsműködésű logikai áramkörök - Memória áramkörök - Mikroprocesszorok és egységeik - Telecom áramkörök - Számítógép."— Előadás másolata:

1 Microelectronics1 Mikroelektronika Gyorsműködésű logikai áramkörök - Memória áramkörök - Mikroprocesszorok és egységeik - Telecom áramkörök - Számítógép hálózatok áramkörei - Mikroáramkörök tervezése - Mikroáramkörök mérése

2 Microelectronics2 nn p p VccVcc Y=A +B C t B A 1. Statikus CMOS logika.

3 Microelectronics3 V CC Y=A. B n n n  ELŐTÖLTÉS B A C ki  KIÉRTÉKELÉS 2. Dinamikus CMOS logika

4 Microelectronics4 n n Y=A  B A A B 4. Transzfer-gates logika.

5 Microelectronics5 R1R1 A U ref B Y=A. B V CC R2R2 7. Emittercsatolt (ECL) logika

6 Microelectronics6 n T1T1 Q1Q1 n n Q2Q2 CtCt V CC T2T2 T3T3 T4T4 A A 8. BiCMOS logika

7 Microelectronics7 GHz-es CMOS logikák speciális problémái időzítés – fázisjelek deskew áramkörök jel-regenerálás, átmeneti tárolók (transzparens latch-ek) differenciális jel-vezetés

8 Microelectronics8 Statikus RS-tároló. T1T1 n n Q C2C2 Q n p p n C1C1 SET RESET V CC Brute force!!!

9 Microelectronics9 Kvázi-statikus D-tároló V CC Q D  beírás n  tartás V CC n C1C1

10 Microelectronics10 C parazita V cc Y=A. B n n n p B A C ki  Statikus inverter A.BA.B A.BA.B  B A C1C1 C2C2  D C3C3 Y=A. B. D DOMINO CMOS dinamikus, egyfázisú logika V cc nMOS logika DOMINO CMOS fokozatok összekapcsolása statikus inverterrel

11 Microelectronics11 p p n n  p p n n B A C1C1 Y=A. B. D  C ki D Alternáló fokozatok alkalmazása V cc U ki n n p p  U be C t ároló  V cc C 2 MOS latch nMOS logika pMOS logika

12 Microelectronics12 “  -szekció “   n  C1C1 A nMOS logika B n C2C2 pMOS logika  n  V CC C1C1 nMOS logika n C3C3 pMOS logika U ki n n C tároló  C 2 MOS latch V CC

13 Microelectronics13  - szekció    - szekció Előtöltés Kiértékelés Pipeline Domino CMOS logika

14 Microelectronics14 Kisfogyasztású logikai rendszerek a) kapacitások töltése/kisütésekor fellépõ joule-veszteség. A kapacitív áramokból adódó átlagos disszipáció nem adiabatikus átkapcsolásoknál, (E az óraciklusok alatt várható átkapcsolások száma): b) keresztirányú áram. Elhanyagolják, tekintettel arra, hogy az igen gyors jel-felfutások következtében a keletkezõ áramtüske idõtartama igen rövid s így az átlagos teljesítmény is alacsony a kapacitást töltõ áramok mellett. c) küszöb-alatti (szivárgási) áramok.

15 Microelectronics15 T2T2 C2C2 TG 1 T4T4 T3T3 C1C1 11 V CC 11 TG 2 Ki  1  Be 11 T1T1 T5T5 T7T7 T6T6 Domino CMOS PLA

16 Microelectronics16 GHz-es CMOS logikák időzítés – fázisjelek deskew áramkörök jel-regenerálás, átmeneti tárolók (transzparens latch-ek) differenciális jel-vezetés

17 Microelectronics17 Gyors beírású, a kimeneten megfogott D- tároló Q C1C1 C2C2 V DD D T4T4 T2T2 T7T7 T5T5 T1T1 CLK M T3T3 T6T6 Q I1I1 I2I2 I3I3

18 Microelectronics18 pp n n n n Q Q 1 2 V ref sense amplifier out EE V- V- Read Word Line Write Word Line Read Bit LIne ECL kiolvasású 6-tranzisztoros tároló cella

19 Microelectronics19 Duál-port RAM V CC BL 1 BL 2 BL 1 BL 2 WL 1 WL 2

20 Microelectronics20 Áramtükrös SRAM kiolvasó erősítő T4T4 Bit Oszlop szelektálás T1T1 T2T2 T5T5 Adat ki V DD Φ T3T3 T6T6 U G  V DD, nincs áram Φ fázisjel nyitja T7-et, kiválasztjuk az oszlopot, ΔU feszültségek lépnek fel, T1, T2 az „erősítőre” kapcsol, T5 nyit, T6 zárva marad, U G →0, Adat ki = V DD, ui. T4 árama=0 kell legyen. Ha fordítva, akkor T6 nyit, T4 zárva, ezért Adat ki =0, nincs munkaellenállás! T5 zár, ezért U G =V DD. végül Φ→0, T7 lezár, T7T7 UGUG +ΔU+ΔU ΔU=0 T7T7

21 Microelectronics21 NOR-rendszerű Flash memória 2. Bit-vonal 1. Bit-vonal WL 0 WL 1 WL 14 WL 15 Közös source Helyfoglalás Write: source=0, BL=high (semmi), low (elektronok) WL=+U Erase: közös source =+U, WL= -U, BL=lebeg egyszerre a blokk Read: source=0, drain=R, WL=cím

22 Microelectronics22 NAND-rendszerű Flash memória struktúra Jó helykihasználás, lassú (soros) Write (Tx): BLx szelektálás Source szelektálás, KS=0 BLx=0 WL x = ++U, a többi +U csatorna mindenütt, tunnel Tx Erase: zseb=++U, összes WL=0 minden cella törlődik Read (read-through, „cellákon át”): BL, KS szelektálás Source=0, BL= pull-up WL (nem Tx)=normál csatorna WLx=0, kiolvasás függ lebegő gate-től Sor- dekóder 2. Bit- vonal Bit-vonal szelektálás Közös source szelektálás (KS) 1. Bit-vonal WL 0 WL 1 WL 14 (WL X ) WL 15 Közös source T X (BL X )

23 Microelectronics23 Programozott kapcsoló FPGA, redundáns memória, A/D kalibrálás T 2 T 1 S D A B U Vez Programozás Közös lebegő gate Kapcsoló B A r ds

24 Microelectronics24 8K x 9bit SRAM TAG-RAM DATA-RAM BANK decoder comparator MISS HIT CPU databus Main Memory 9 bit program counter 13 9 HIT / MISS Cache-Tag memória struktúra

25 Microelectronics25 Neumann-struktúrájú mikrocontroller 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

26 Microelectronics26 Timer/Counter egység 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

27 Microelectronics27 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 0 1 t

28 Microelectronics START BIT 8/9 STOP BIT LSB Az RS-232 soros átviteli szabvány Érzékelt 1→0 átmenet mintavételek

29 Microelectronics29 Start/Stop jelek az I 2 C-busznál Adat Órajel Stop Start

30 Microelectronics30 START | 1010 A 2 A 1 A 0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP Az I 2 C soros átviteli szabvány Eszköz címe Byte címe 1. Adat byte 2. Adat byte Automatikus cím inkrementálás ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalat ACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be A0A0 A1A1 A2A2 GND V CC x DATA CLK

31 Microelectronics31 I 2 C-busz Adat Órajel Stop Start START 1010 A 2 A 1 A 0 R/W Ack A H byte Ack A L byte Ack D 1 byte STOP

32 Microelectronics32 ffffffff 256 byte RAM címe d Utasítás kódja (opcode) Harvard-struktúrájú mikroprocesszor 16-bites szó-szerkezete Adat iránya

33 Microelectronics33 Digitális szűrők x(n) x(n-1) x(n-2) z -1 x(n-3) y(n) h0h0 h1h1 h2h2 h3h3 Multiply-Accumulate (MAC) Pipeline üzem adatok

34 Microelectronics34 Diszkrét koszinusz-transzformáció (DCT) x(n)=bejövő mintavett, digitalizált jel, n=0,1,…..(N-1) a minta sorszáma, X(k)=transzformált érték, sorszáma k=0,1, ….(N-1). e(k)= 1/  2, ha k =0, egyébként pedig e(k)=1. N(N-1) szorzás. Azonos trigonometrikus szorzótényezőjű szorzatok összevonva, szorzás helyett összeadás. X(0)….X(7) transzformált értékek, összevonva az azonos koszinuszos tagokkal rendelkezőket: az összevont minták trigonometrikus szorzótényező c i =cos(iπ/16). A 8x7=56 szorzás helyett a fenti számítás csak 22 szorzási művelet. további egyszerűsítésekkel a szorzások száma 13-ra csökkenthető (több mint négyszeres sebesség-növekedést eredményez).

35 Microelectronics35 Kétdimenziós diszkrét koszinusz-transzformáció áramkörei. x(m,n) vektorok folyamatosan, T ciklusidővel, bit-párhuzamosan 8 elemes shift D regiszter sorba. 8 új vektor van a sorban: átírás az R regiszter-sorba, táblázatos szorzás A részletszorzatok összegzése: szummázás és visszacsatolt léptetés. Szorzás 8 vektorra párhuzamosan 8T idő alatt, D regiszter-sorba új adatok. A kimeneten az y(k,l) vektorok T ciklusidővel, sorosan lépnek ki. D ROM Shift Szummázó D ROM Shift Szummázó D ROM Shift Szummázó D D D Bemenet Kimenet R R R Regiszterek

36 Microelectronics36 1. ütem: CLK= 1→0: T 3 és T 4 kijelöli FF1 állapotát, legyen X=1 CLK=0, Q=0, X=1. I 0 FF1-en, Q (és neg.) értékét T 7 és T 8 állítja be. 2. ütem: CLK=0→1: T7 és T8 jelöli ki FF2-öt, Q→1. Minden második órajelre vált, 2-es osztó. X X T2T2 T8T8 T7T7 T4T4 T3T3 T6T6 T5T5 T1T1 T9T9 T 10 Q V DD Q CLK R1R1 R3R3 R2R2 R4R4 I0I0 GHz-es 2-es osztó

37 Microelectronics37 Telecom áramkörök - szinkron digitális telefon-hálózat - ISDN - Aszinkron Transfer Mode (ATM) - Mobil telefon hálózat

38 Microelectronics Ki Be Jel-utak kialakítása Analóg átvitel: -Rotary-gépek - Crossbar - Mechanikus relék - Elszigetelt tirisztorok 14. bemenet→2. kimenet 16x16-os kapcsoló-mátrix

39 Microelectronics39 Mátrix keresztpont kapcsoló V CC Mátrix oszlop Oszlop- Cím Mátrix sor Adat aktív „0” „1”

40 Microelectronics x4 4x2 N Kimenetek Bemenetek = 4 N 2 =2 n=16 Kapcsoló-mátrix és felbontása Egyidejűleg max. nN 2 /N 1

41 Microelectronics41 Control Data S/H REF DAC Hold Successive Approximation Register (SAR) Control Register MUX Input Register GND V CC Analóg ki Analóg be Keret szinkron PCM Out Highway CLK Komp. Kóder-dekóder (CODEC) áramkör PCM In Highway

42 Microelectronics42 A szinkron távbeszélőhálózat: - 8-bites átvitel, - egy keret 32 átviteli csatornát fog össze, - a sínen átviendő frekvencia 8x32x8kHz=2,048MHz, - a bináris jel hossza 1/2,048MHz=0,488  s, - keret hossza 3,9  s - a 32 csatornából egy jelzések, tesztelés, - az időrés kijelölése: az átvitel alatt általában marad, de lehetőség van átvitel alatt más időrés kijelölésére is.

43 Microelectronics Digitális bemenet Analóg kimenet Dinamika-expanzió exponenciális görbével

44 Microelectronics44 SLIC Subscriber Line Interface Circuit BORSCHT: Battery Overvoltage Ring Supervision Codec Hybrid Test

45 Microelectronics45 Hibrid Vett jel Z 0 lezáróellenállás Adás Csavart érpár Áramirányok vételnél

46 Microelectronics46 AMI kódolás (ISDN) Alternate Mark Inversion=váltakozó 1 invertálás, „1” váltakozik, „0”=zérus jelszint Inverze: „0” váltakozik, „1”=zérus jelszint: Zérus jelszintnek a logikai "1" felel meg, a logikai "0"-ra pedig váltás történik, mindig ellentétes irányban, mint az előző váltás. Folyamatos logikai "0"-ra a jel egyenáramú összetevője zérus Invertált AMI 1 Bitfolyam

47 Microelectronics47 ATM-hálózat kiépülése Végpont kérés elfogadás ATM kapcsoló virtuális útvonal A B elfogadás kérés Használat előtt ki kell építeni a vonalat, minden csomag ezen, előzés nincs! VPI: azonos az úton, de sok VCI-t használ. Kis cella→ kis bufferek Virtual Path Identifier Virtual Channel Identifier

48 Microelectronics48 ATM packet GFC VPI VCI PTCLP ADAT FEJLÉC bitek byte-ok.. (48 Byte) HEC GFC (Generic Flow Control, Általános folyam vezérlő), VPI (Virtual Path identifier, Virtuális útvonal azonosító), VCI ( Virtual Channel Identifier, Virtuális csatorna azonosító), PT (Payload Type, Hasznos adat tipus), CLP (Cell Loss Priority, Cella elvesztés prioritás), HEC (Header Error Check, Fejléc hiba ellenőrzés).

49 Microelectronics49 1. bemeneti memória 8. bemeneti memória és dual-port RAM memória kezel é s 1. kimeneti memória 8. kimeneti memória Kimeneti t á rolók ésés bufferek Bemeneti t á rolók bufferek 8x4 bemenet Ó rajelek é s keretvezérlõk 8x4 kimenet Vezérlõ- jelek vezérlő interfész 8192 ATM cella byte SAM prioritás DRAM frissítés Ciklusidő = 26ns 4-bites portra: 155 Mbit/s 4 port összevonva. 622Mbit/s 32 bites portra:1,25Gbit/s Osztott memóriás (shared memory) ATM switch

50 Microelectronics50 Mobil telefon 900MHz GSM - uplink: 890,2-914,8MHz, 123 csatorna, 200 kHz-es távolság minden frekvencia-csatornában 8 időrés = 8x124=992 adatcsatorna. 3 műszaki megoldás: -cellás rendszer →frekvencia-kihasználás - optimális összeköttetési feltételek (teljesítmény, stb.) beállítása - jel-tömörítési eljárás

51 Microelectronics51 A hálózat cellás felépítése A B C D E F G A B C D E F G A B D E F G az elõfizető haladási iránya C egy adott vivőfrekvencián működő cella

52 Microelectronics52 GSM adat-tömörítés rövid időszakaszban: lineáris predikció → n-edik minta p: a predikció fokszáma, α i : lineáris predikciós együtthatók (súlyok); értékük: adott jelfolyam (pl. beszédminta) jellege. Valóságos mintát összehasonlítjuk a megjósolttal, kettő különbsége = becslés hibája. A négyzetes hiba: Ennek a minimális értékét kell meghatározni !

53 Microelectronics53 Mobil készülék blokkvázlata (RF nélkül) Hang be Bluetooth SIM kártya Hang ki A/D+szűrő I Q D/A+szűrő I Dekódolás Viterbi HW gyorsító Kódolás GMSK Modulátor Equalizer D/A+szűrő Processzor + RAM + interface Teljesítmény GPRS LCD RF vezérlés Q A/D+szűrő JTAG Telep A/D+szűrő RF

54 Microelectronics54 RF szűrő Frekvencia osztó Oszcillátor Demodulátor, processzor 1. keverő Tükör elnyomás Csatorna kiválasztás 2. keverő AntennaLNA Tükör elnyomás IF szűrő 900MHz-es mobil készülék kétfokozatú szuperheterodin vevő fokozata Tükörfrekvencia: kω be ± nω oszc Keverék-frekvenciák:

55 Microelectronics55 L1L1 T1T1 T2T2 U be + V CC L3L3 L2L2 LGLG T1T1 U be LSLS C GS Bemeneti erősítő: Low Noise Amplifier (LNA) valós, ha: R be Probléma: Antenna-impedancia → R be → g m → drain-áram → zaj ? fele I D nMOS másik fele Fél-áramú CMOS megoldású.

56 Microelectronics56 U szab V CC L1L1 L8L8 C2C2 T1T1 T2T2 U ki + U be + U be U ki V CC T3T3 T4T4 T7T7 T6T6 T5T5 T8T8 L7L7 L4L4 L6L6 L5L5 L3L3 L2L2 C1C1 U ref Differenciális felépítésű szabályozható erősítő Referencia-fesz. Hangolt kör Diff. Erősítő T5/T6 ill. T7/T8 Szabályozott Párhuzamos terhelés

57 Microelectronics57 V CC V1V1 U G1 L2L2 T2T2 L1L1 T1T1 UCUC V2V2 C 1 =2pF U szab V CC =2.5V L1L1 L2L2 L3L3 C2C2 RtRt T1T1 T2T2 U ki U be Bemeneti π-tagos kiszajú, szabályozott erősítő terhelés Áram- szabályozás 1,1GHz-es feszültségvezérelt (VCO) oszcillátor V1,V2: Változtatható kapacitások

58 Microelectronics58 C V CC L R T U ki U be MOS erősítő I D =K/2 (U GS -V T ) 2 K=(μ n ε ox /d ox ) (W/L) g m =di D /du GS =? rsrs Q L =  L/r s → R p =?

59 Microelectronics59 V CC L T U osc MOS oszcillátor C C Fázisfordító transzformátor Pozitív visszacsatolás: ϕ =360 0 Amplitúdó limitálás

60 Microelectronics60 Frequency Shift Keying (FSK) idő f0f0 f1f1

61 Microelectronics61 Minimum Shift Keying (MSK) Frekvencia-shift detektálás: fázis mérés I/Q jelekkel. Amplitúdó=állandó, ezért nem okoz torzítást ! Kis sávszélesség (gyors felfutások és túllövések levágása: Gauss-szűrővel szűrve a jelet: GMSK (mobilok!) + 90  -fázisszög = „1” - 90  -fázisszög = „0” Q (Quadrature) I (In-phase)

62 Microelectronics62 I és Q-jelek a rádióadásban Helyi oszcillátor (vivőfrekvencia) 90  fázistolás I Q Szummázás Összetett RF kimeneti jel

63 Microelectronics63 I és Q-jelek a rádióvételben Helyi oszcillátor (vivőfrekvencia) 90  fázistolás Quadratura komponens Összetett RF bemeneti jel In-phase komponens

64 Microelectronics64 Adás/vétel-kapcsoló U vez Antenna R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 C1C1 C2C2 Adás Vétel Vétel DC tápAdás DC táp U vez T1T1 T2T2 T3T3 T3T3

65 Microelectronics65 IF demodulátor S QPSK (t) Limiter & sávszűrő Fázistoló Alul- áteresztő szűrő S FM (t) Demodulált jel Multiplier

66 Microelectronics66 IF demodulálás az  c vivő szorzásával IF: S QPSK (t)=cos[  c t+ ϕ (t)] Fázistolás után: S FM (t)=cos[  c (t-t 0 )+ ϕ (t-t 1 )] t 0 = a vivő-, t 1 =a fázistoló késleltetése Multiplication és aluláteresztés után,  c t=90 0 feltétellel, felhasználva: 2 sinα sinβ=cos(α +β)-cos(α -β) 2 cos[  c t + ϕ (t)] cos[  c t ϕ (t-t 1 )=cos[2  c t+..]-cos[ ϕ (t) - ϕ (t-t 1 )] = = sin[ ϕ (t) - ϕ (t-t 1 )]  ϕ (t) - ϕ (t-t 1 )  ϕ (t) t 1 = demodulált jel

67 Microelectronics67 Számítógép hálózatok mikroáramkörei (PHY-layer) - Kódolások, Trellis-kód, Viterbi dekódoló - jelút kapcsoló, Batcher-Banyan áramkör - 100B-T hálózat - Gigabites hálózat - Bluetooth

68 Microelectronics68 Scrambler áramkör SR + + U be U ki XOR kapu Shift Regiszter

69 Microelectronics69 Kódoló áramkör 1-bit késleltetés 1-bit késleltetés MUX Kódolt bitfolyam XOR kapu Kódolatlan bitfolyam n n

70 Microelectronics70 Trellis kódolás sémája 1/00 (n+1) -edik állapot 1/00 1/10 0/10 1/11 0/00 0/01 0/11 S00 S01 S10 S01 S00 S11 n-edik állapot 2-bites szimbólumok Trellis szimb.: TS

71 Microelectronics71 Viterbi dekódoló sémája RS (Received Symbol): 2-bites vett adat TS (Trellis Symbol): a rács adott ágához tartozó 2-bites érték BM (Branch Metric): ág mérőszám, a vett adat és a trellis szimbólum különbsége Hamming távolságban PM (Path Metric): útvonal mérőszám, az adott pontig az ág-mérőszámok összege Constraints: a ciklusok száma, amit figyelembe veszünk (pl. 9)

72 Microelectronics72 2 Dekódolás a Trellis rács alapján X S00 S01 S10 S X X X X X X X X X Adat Szimbólum RS: Vett szimbólum 3 3 ? TS RS-TS=11-11 RS-TS=11-00

73 Microelectronics73 ACS (Add-Compare-Sum) egység blokksémája Komparálás Szelektálás + + összeadó Minden lehetséges ágra minden lépésben PM+BM értéket elő kell állítani (Add), Ezeket össze kell hasonlítani (Compare), és a kiválasztott eredményt hozzáadni az addigi PM-értékhez (Sum). „Túlélő ág” 1n d 

74 Microelectronics74 Analóg Viterbi dekódoló T 15 22 T 10 URUR URUR pMOS áramtükör nMOS áramtükör NMOS áramtükör Analóg tároló Analóg tároló U DD I2I2 T1T1 T3T3 T7T7 T4T4 T6T6 T9T9 T5T5 T8T8 I1I1 A A T2T2 T 13 11 22 T 11 T 12 11 T 14 B I tárolt CSCS

75 Microelectronics75 Jelút kapcsoló MUX 1 2 n vezérlő dekóder 1 2 n MUX DE dual-port RAM bemeneti cellák kimeneti cellák útvonal

76 Microelectronics76 Batcher-Banyan kapcsoló bemenetekkimenetek TG a) b) beki U kapcs U c)

77 Microelectronics NRZ Manchester Különbségi Manchester a) b) c) Bitfolyam Adat Ellentettje Logikai 1-nél szint „marad” váltás Manchester, Különbségi Manchester kód („10Base-T” hálózatok)

78 Microelectronics78 MLT Bitfolyam MLT3 Multi-Level Transition („100 Base-T” hálózatok) „1”-re alternál, „0”-ra marad

79 Microelectronics79 BER = Hibásan vett bitek száma Összes adott bitek száma Amplitúdó Idő Névleges logikai "0' Névleges logikai "1' Szem-görbe („Eye-diagram”) - zaj - jitter Bit Error rate:

80 Microelectronics80 Amplitúdó PAM-5 modulált jel szemgörbéje Pulse shaping: nagyobb intenzitású jelek csillapítva, sugárzás csökken

81 Microelectronics81 árnyékolatan sodrott érpár Tx Rx Tx H 125Mb/s H Tx Rx Tx HH Rx Tx HH Rx Tx HH Gigabites Ethernet átvitele sodrott érpárakkal PAM-5: 2,25 bit/ciklus 4 érpáron: 4x2,25=9bit/ciklus 8bit adat, 1bit hibajav. 5 4 =625 kombináció, 2byte (páros/páratlan), =2x256=512 komb., maradék: hibajav, S/N.

82 Microelectronics BASE-T PCS  PMA MUX/DMUX PHY control DAC/ADC 10BASE-T PCS  PMA 100BASE-TX PCS  PMA Meghajtók, Vevők GMII, MII Interfész Hibridek PAM-5 MLT-3 Manchester- kód Külső vezérlés Kombinált, Gigabit/s adó-vevő blokkséma Régebbi rendszerek Media Independent Interface Gigabit Media Independent Interface

83 Microelectronics83 Gigabit-es rendszer elemei Physical Medium Attachment Transzform. Gigabit Media Independent Interface Adóoldali PCS DAC Meghajtók, vevők Hibridek MUX/DMUX GMII Interfész Adóoldali PMA Vevőoldali PCS Vevőoldali PMA Physical Coding Sublayer

84 Microelectronics84 Adaptív kiegyenlítő Echo & áthallás elnyomás (analóg) AGC Vonal DC korrekció Szint- felbontó Forward error correction Delay Skew Descrambler Vevő logika szabványos GMII, Transceiver felé 1. PMA-egység (sodrott érpár, hibridről), analóg PCS-egység, digitális vett PAM-5 jel Gigabites Ethernet vevő blokkséma PMA: Physical Medium Attachment PCS: Physical Coding Sublayer GMII: Gigabit Media Independent Interface Négy sodrott érpár 1. 5 diszkrét szint Adaptív dig. szűrő 8-állapotú trellis dekódolás, legvalósz. szimb. Bitkeverés fordított műv. Baseline wander corr.

85 Microelectronics85 Adat be 0,75 0,25 Z -1 PAM-5 JELEK 17/ 5-ös Táblázat Analóg szűrő Hibrid meghajtók PMA (Physical Media Attachment) blokk adóoldali egységei Impulzus formáló (Partial Response Shape, PRS ) X ki =0,75X n +0,25X n- 1

86 Microelectronics86 Tipikus impulzus visszhang görbék Minták Négy jelentős reflexió +1 -0,5 +0,5 1-0 átmenetre, 18 pontban (mintavétel=8ns), Távolság (mintavételi idő) és amplitúdó. Transceiver autom. tárol és eszerint kivon

87 Microelectronics87 Mixed-mode visszhang elnyomó áramkör DAC 1 DAC 4 Selector Kimenet Súlytényező beállítás 250 MHz adat be Vett jel Visszhang elnyomott jel Emulált visszhang m 4 m 1 64 x 1 bit FIFO Visszhang kioltás Tanulási folyamat: Reflektált jel→DAC, adott stratégia szerint optimalizálás (pl. LMS, Least Mean Square)) DA átalakítás, analóg összegzés és kivonás

88 Microelectronics88 TDx/Rx GND TX RX Ütközés Vcc GND Koaxiális kábel átvivő határfelület (DTE) Adatvégződés Közegélérési egység (MAU) Gazdagép DC/DC átalakító 62 bit2 bit6 bájt 2 bájt4 bájt Előhang SFD Forrás HosszAdatFCS Célállomás címe bájt

89 Microelectronics89

90 Microelectronics90 A 2,4GHz-es (Bluetooth) átvitel áramkörei Bluetooth rendszer: - WPAN Wireless Personal Area Network m - spread spectrum (káosz-elmélet) - frekvencia ugrálás (hopping) - interferencia-mentes - robot-irányítás WIFI-rendszer (USA)

91 Microelectronics91 Nagysebességű, 2,4 GHz feletti transceiverek Soros interfész a a fotodióda és a meghajtó lézer felé (optikai illesztés külön áramkör) Órajel előállító, incl. többszörözés, ellenőrzés Deskew áramkörök Scrambler áramkörök Kódoló/dekódoló (Codec) Bit-hibaarányt (BER, Bit Error Rate) mérő ák. Szokásos adatátviteli ák., keretezés, soros/párh., etc. JTAG – Boundary Scan, I 2 C interfész Mikrokontroller a vezérlésre, tesztelésre és debug-ra.

92 Microelectronics92 Nagysebességű órajel-visszaállító, 2,4 GHz Detektálás vesztés Referencia órajel Adat Bemenet (fényszál) Frekvencia ablak detektor Fázisdetektor Feszültség-vezérelt oszcillátor Szűrő Visszaállított órajel Visszaállított adat Jelvesztés Relatív sávszélesség pl. 0.01%

93 Microelectronics93 osztó Oszcillátor Csatorna kiválasztás osztó Csatorna kiválasztás osztó LNA Teljesítmény erősítő Alapsávi processzálástól QAM mod/demod. Mixer Bluetooth tranceiver blokksémája

94 Microelectronics94 V CC L1L1 U LO2 T5T5 T6T6 T7T7 T8T8 U RF C1C1 I gen U IF,I U IF,Q T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 2,4 GHz-es kimenőoldali keverő (upconverter) Egymástól 90 fokra eltólt középfrekvenciás jelek Végerősítő meghajtása Local oscillátor T1-T4: árammá Alakít és összead T5-T8: keverők

95 Microelectronics95 VLSI áramkörök tervezése és mérése

96 Microelectronics96 VLSI tervezési lépések áttekintése Rendszerszintű specifikáció Regiszter-Transzfer szintű terv Szintézis Követelmények Gyártási előírások

97 Microelectronics97 A tervezés részletei Elképzelés Specifikáció Szimuláció Viselkedés-szintű leírás Logikai optimalizálás Regiszter-szintű leírás Layout tervezés Tervezési szabály ellenőrzés Elhelyezés és huzalozás Layout extrakció Szeletgyártás Szerelés, tokozás, mérés Behaviour level RTL level Cella-könyvtár Reuse Place and Route Design Rule Check Silicon foundry

98 Microelectronics98 Beágyazott logikák (Logic Cores) tervezése 1. - Reuse: portability, description, simulation, test - Design: keveréke a bottom-up és top-down módszereknek - Codevelopment of hardware/software (simultaneous analysis and optimization of area, performance, power, noise, test, technology constraints, interconnect, wire loading, packaging constaints. - Recursive development and verification → RTL level.

99 Microelectronics99 Beágyazott logikák (Logic Cores) tervezése 2. - Előnyösebb: szinkron logika Regiszter Random logika Regiszter Random logika Regiszter Core Input regiszter Output regiszter

100 Microelectronics100 Beágyazott logikák (Logic Cores) tervezése 3. Veszélyek: - latch-based tervezés→ betárolás nem élvezérelt -latch: csak FIFO-k, memóriák és stack-ek -Aszinkron hurkok, belső pulzus-generátorok - multiciklusos útvonalak - aszinkron clear és set jelek deaktivizálása reszinkronizálással - memória vezérlőjelek, read, write, enable legyen szinkron

101 Microelectronics101 Beágyazott logikák (Logic Cores) tervezése 4. -Nagy memória-blokkok általában a szélekre kerülnek→ kis memóriák középre→ többrétegű fémezésre kell számítani - Jelenleg SoC 60%-a memória, alig 6% a mixed-signal (PLL, DAC, ADC, hőszenzor, on-chip clock generátor, szinkronizáció, RGB output, kommunikációs áramkörök) - ezek zajérzékenyek, ezért a chip szélére, pl. kétoldalt (itt közel van a kimenet, a jól szűrt táp és a föld) -Védőgyűrűk alkalmazása

102 Microelectronics102 Beágyazott logikák (Logic Cores) tervezése 5. On-chip buszok: -Nagyon fontos → közös interface az egységek között - A core tervezése előtt rögzíteni kell a buszokat! - FIFO-alapú átvitel a rendszer buszok felé: flexibilitás - Nincs specifikált interface a buszok felé jelenleg! (adat és control jelek, többciklusos átvitelek, request-and grant protokolok)

103 Microelectronics103 Tervezési eljárások összefoglalása 1.Mikroprocesszor, mikrokontroller (Neumann, Harvard) 2.FPGA → VHDL szintézis 3.System-on-Chip → particionálás +VHDL szintézis 4.Sziliciumra tervezés standard cellákkal 5.Full-custom sziliciumra tervezés, zömmel meglévő cellákkal 6.Full-custom, alapvetően új, nagy cellákkal 7.Cellák tervezése → SPICE 8.Mixed-mode cellák, RF cellák → SPICE (!!) 9.Multichip → particionálás 10.Hibrid technológiai megoldások Rendszertervezés: célfüggvény (sebesség, fogyasztás, méret), algoritmus (pontosság, csonkítás, összevonás, stb.) t→ω transzformáció, predikció, stb. Chip tervezése:

104 Microelectronics104 Standard cellás tervezés Állandó m-magasságú cellák Cellák összekapcsolása Inverter 2-bemenetű NAND D-flipflop Huzalozási csatorna 3-bemenetű NOR InverterD-flipflop Standard cellák sora

105 Microelectronics105 Órajelek szétosztása a chipen Központi órajel-meghajtó generátor

106 Microelectronics106 Az órajel-szétosztás áramkörei Órajel generátor 2. meghajtó Helyi elosztó 1. meghajtó Ismétlő- erősítő 2. meghajtó

107 Microelectronics107 Tápvonalas órajel-vezetés a chipen CLK+ CLK  fémréteg Szigetelő- réteg Laterális árnyékolás

108 Microelectronics108 Repeater CLK+ =0, CLK2+ =0 ill. CLK3+ =1, K=M=0, N=1. CLK2+: 0→1 N=0, T5 tölti C-t, T7 lezár; ekkor még CLK2  =1. Ha eléri T11-T12 billenési szintjét, CLK3+ =0, K=1, M=1, T10 lezár és T6 kinyit, látszólag kisütés, amíg a negált jel lefutásával CLK2  =0 lesz, K=0, T8-T10 keresztül a kapacitás telepre.

109 Microelectronics109 Deskew áramkör az órajelek szétosztásához Finom szabályozás V CC Durva szabályozás Sel 4x Mu x 2x 1x 2x4x

110 Microelectronics110 Handshake t3t3 t2t2 t1t1 Bemeneti adat Kimeneti adat Request Acknowledge

111 Microelectronics111 Ön-időzítő áramkör Időzítés ki Időzítés be Áram érzékelő V CC Logikai áramkör Latch Minimális késleltetés áramkör Bemenet Kimenet

112 Microelectronics112 Mikroáramkörök mérése -Boundary Scan - élettartam-mérések - I DDQ -Mérőautomaták, pinelektronika

113 Microelectronics113 Level Sensitive Scan Design (LSSD) Transzparens latch Hálózat bemenetek Hálózat kimenetek Kombinációs hálózat Teszt kimenet Teszt bemenet Adat léptetés

114 Microelectronics114 T2T2 T3T3 V CC A YBYB YAYA B1B1 B2B2 B2B2 T1T1 T4T4 T5T5 T6T6 rövidzár I DDQ I DDQ -mérés Scanning Electron Microscope (SEM) + sekunder elektronok: áramkör-vizsgálat

115 Microelectronics115 Bypass Regiszter Controller TDI TMS TCK TDO A1 B1 Boundary Scan Register, BSR 18 bit 1 bit 3 bit 8 bit Channel 1. OE*DIR OE*DIRn Regiszter Control Regiszter Utasítás 1-bites Boundary-Scan mikroprocesszor

116 Microelectronics116 Romlási folyamat mértéke [log f deg ] 1/T [1/ o K] 20 o C 180 o C

117 Microelectronics117 U high U low U 0max U 1min PIN Hiba- logika Strobe Várt adat Kiértékelés Ablak-komparátor HH LL SW 1 SW 0

118 Microelectronics118 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(U sb ) -1/2 V Tn =0,48V V Tp =-0,48V G=70 dB GBW=75MHz φ m =55 o P=0,72mW

119 Microelectronics119 Dinamikus kétfázisú logika (nincs keresztbenyitás) C parazita Y=A. B n n n p B A C ki 11 V cc nMOS logika 22 előtöltés kiértékelés ΔtΔt 22 11

120 Microelectronics120 Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás   U1U1 C0C0 U2U2 U1U1 U2U2 C0C0 R ekv C0C0 U1U1 U2U2   U1U1 Kapcsoló

121 Microelectronics121 II. Invertáló integrátor C1C1 + C0C0 U1U1 U ki Kapacitások aránya! f s = switch frekvencia


Letölteni ppt "Microelectronics1 Mikroelektronika 2007 - Gyorsműködésű logikai áramkörök - Memória áramkörök - Mikroprocesszorok és egységeik - Telecom áramkörök - Számítógép."

Hasonló előadás


Google Hirdetések