Mikroelektronika 2007 Gyorsműködésű logikai áramkörök

Az előadások a következő témára: "Mikroelektronika 2007 Gyorsműködésű logikai áramkörök"— Előadás másolata:

1 Mikroelektronika 2007 Gyorsműködésű logikai áramkörök
Memória áramkörök Mikroprocesszorok és egységeik Telecom áramkörök Számítógép hálózatok áramkörei Mikroáramkörök tervezése Mikroáramkörök mérése Microelectronics Mikroelektronika

2 1. Statikus CMOS logika. Vcc p A Y=A +B B C t n Microelectronics
Mikroelektronika

3 2. Dinamikus CMOS logika Y=A.B VCC ELŐTÖLTÉS A Cki B KIÉRTÉKELÉS n n
Microelectronics Mikroelektronika

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

5 7. Emittercsatolt (ECL) logika
VCC R1 R2 A B Uref Y=A . B Microelectronics

6 8. BiCMOS logika VCC T1 A Q1 n T2 A T3 n Ct Q2 n T4 Microelectronics

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

8 Statikus RS-tároló. Brute force!!! T1 n Q C2 p C1 SET RESET VCC
Microelectronics

9 beírás tartás VCC Q D VCC Kvázi-statikus D-tároló n C1 n
Microelectronics

10 dinamikus, egyfázisú logika
DOMINO CMOS dinamikus, egyfázisú logika  Vcc p Y=A. B A n C ki B Cparazita n  Vcc  Vcc Vcc n nMOS logika A.B A.B Y=A.B.D A C1 C3 C2 B Statikus inverter D DOMINO CMOS fokozatok összekapcsolása statikus inverterrel Microelectronics

11 Alternáló fokozatok alkalmazása
Vcc  Vcc  p p pMOS logika A n Uki n p  Ube Ctároló Vcc C2MOS latch C1 p B n D p Y=A . B . D n n Cki nMOS logika Microelectronics

12 Ctároló “ -szekció “      Uki  C2MOS latch C1 C1 C2 C3 VCC VCC
nMOS logika pMOS logika nMOS logika pMOS logika B C1 C1 n n n  n n n Ctároló C2 C3 C2MOS latch “ -szekció “ Microelectronics

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

14 a) kapacitások töltése/kisütésekor fellépõ joule-veszteség.
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. Microelectronics

15 Domino CMOS PLA VCC 1 T5 T6 T1 VCC C1 T3 T4 1 T7 T2 C2 TG1 1 TG2
Be Ki Microelectronics

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

17 Gyors beírású, a kimeneten megfogott D-tároló
VDD VDD T4 T7 CLK Q I1 I2 I3 Q M CLK C1 C2 T3 T6 D T2 CLK T5 T1 CLK Microelectronics

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

19 Duál-port RAM BL2 BL1 VCC BL1 BL2 WL1 WL2 Microelectronics

20 Áramtükrös SRAM kiolvasó erősítő
Oszlop szelektálás Bit Bit UG VDD, nincs áram Φ fázisjel nyitja T7-et, kiválasztjuk az oszlopot, ΔU feszültségek lépnek fel, T1, T2 az „erősítőre” kapcsol, T5 nyit, T6 zárva marad, UG →0, Adat ki = VDD, ui. T4 árama=0 kell legyen. Ha fordítva, akkor T6 nyit, T4 zárva, ezért Adat ki =0, nincs munkaellenállás! T5 zár, ezért UG=VDD. végül Φ→0, T7 lezár, T1 T2 VDD T7 +ΔU ΔU=0 T3 T4 UG Adat ki T5 T6 Φ T7 Microelectronics

21 NOR-rendszerű Flash memória
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 2. Bit-vonal 1. Bit-vonal WL0 WL1 WL14 WL15 Közös source Microelectronics

22 NAND-rendszerű Flash memória struktúra
Jó helykihasználás, lassú (soros) Write (Tx): BLx szelektálás Source szelektálás, KS=0 BLx=0 WLx= ++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 (BLX) 1. Bit-vonal 2. Bit-vonal Bit-vonal szelektálás Sor- dekóder WL0 WL1 WL14 (WLX) WL15 Közös source szelektálás (KS) TX Közös source Microelectronics

23 Programozott kapcsoló
FPGA, redundáns memória, A/D kalibrálás D T1 Programozás A S UVez T2 A Kapcsoló rds B B Közös lebegő gate Microelectronics

24 Cache-Tag memória struktúra
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 Microelectronics

25 Neumann-struktúrájú mikrocontroller
Analóg bemenetek Interrupts XTAL Mód Reset Interruptok Órajel System control A/D konverter Vcc,a Vss,a 3 Timer1 Timer 2 Watchdog Perifériás int. Soros interfész I/O Rx CPU RAM Tx Event EPROM Data EEPROM PWM Event PWM Vcc Port A Vss 8 8 8 8 Data Address low Address high Microelectronics Control

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

27 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 Strobe 1 t Microelectronics

28 Az RS-232 soros átviteli szabvány
Érzékelt 1→0 átmenet 8/9 STOP BIT LSB 1 2 3 4 5 6 7 START BIT mintavételek Microelectronics

29 Start/Stop jelek az I2C-busznál
Adat Órajel Microelectronics

30 Az I2C soros átviteli szabvány
GND VCC x DATA CLK Az I2C soros átviteli szabvány START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP 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 Microelectronics

31 I2C-busz Start Stop Adat Órajel
START A2A1A0 R/W Ack AH byte Ack AL byte Ack D1byte STOP Microelectronics

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

33 Digitális szűrők adatok x(n) x(n-1) x(n-2) x(n-3) z-1 z-1 z-1 y(n)
h0 h1 h2 h3 y(n) Pipeline üzem Multiply-Accumulate (MAC) Microelectronics

34 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: trigonometrikus szorzótényező ci=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). az összevont minták Microelectronics

35 Kétdimenziós diszkrét koszinusz-transzformáció áramkörei.
Bemenet Kimenet Regiszterek Shift D R ROM Szummázó D Shift D R ROM Szummázó D Shift D R ROM Szummázó D 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. Microelectronics

36 GHz-es 2-es osztó VDD R1 R2 R3 R4 Q Q X X T1 T2 T5 T6 T3 T4 T7 T8 CLK
I0 1. ütem: CLK= 1→0: T3 és T4 kijelöli FF1 állapotát, legyen X=1 CLK=0, Q=0, X=1. I0 FF1-en, Q (és neg.) értékét T7 és T8 állítja be. 2. ütem: CLK=0→1: T7 és T8 jelöli ki FF2-öt, Q→1. Minden második órajelre vált, 2-es osztó. Microelectronics Mikroelektronika

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

38 Jel-utak kialakítása Analóg átvitel: Rotary-gépek Crossbar
16x16-os kapcsoló-mátrix 1 Analóg átvitel: Rotary-gépek Crossbar Mechanikus relék - Elszigetelt tirisztorok Be 16 1 Ki 16 14. bemenet→2. kimenet Microelectronics

39 Mátrix keresztpont kapcsoló
aktív „0” VCC Mátrix oszlop Oszlop- Cím „1” „0” Mátrix sor Adat Microelectronics

40 Kapcsoló-mátrix és felbontása
= 4 1 n=16 1 1 4x2 4x2 1 4 N 2 =2 4 5 5 4x4 Bemenetek 8 8 9 9 12 12 16 13 13 1 Kimenetek 16 16 Egyidejűleg max. nN2/N1 16 Microelectronics

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

42 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. Microelectronics

43 Dinamika-expanzió exponenciális görbével
Analóg kimenet 8 7 6 5 4 3 2 1 Digitális bemenet Microelectronics

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

45 Hibrid Z0 lezáróellenállás Adás Vett jel Áramirányok vételnél
Csavart érpár Microelectronics

46 Alternate Mark Inversion=váltakozó 1 invertálás,
AMI kódolás (ISDN) Alternate Mark Inversion=váltakozó 1 invertálás, „1” váltakozik, „0”=zérus jelszint Inverze: „0” váltakozik, „1”=zérus jelszint: 1 +1 -1 Invertált AMI Bitfolyam 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. Microelectronics

47 ATM-hálózat kiépülése
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 Végpont kérés elfogadás ATM kapcsoló virtuális útvonal A B Virtual Path Identifier Virtual Channel Identifier Microelectronics

48 ATM packet GFC (Generic Flow Control, Általános folyam vezérlő),
VPI VCI PT CLP ADAT FEJLÉC bitek 8 7 6 5 4 3 2 1 53 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). Microelectronics

49 Osztott memóriás (shared memory) ATM switch
Ciklusidő = 26ns 4-bites portra: 155 Mbit/s 4 port összevonva. 622Mbit/s 32 bites portra:1,25Gbit/s 1 1. kimeneti memória Kimeneti 2 4 tárolók 8x4 és kimenet 8. kimeneti memória bufferek 32 4 prioritás dual-port RAM frissítés DRAM memória 8192 ATM cella kezelés 1 Bemeneti 1. bemeneti memória 2 4 tárolók 53byte SAM 8x4 és vezérlő bemenet interfész bufferek 8. bemeneti memória Vezérlõ- jelek 32 4 Órajelek és keretvezérlõk Microelectronics

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

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

52 GSM adat-tömörítés rövid időszakaszban: lineáris predikció → n-edik minta p: a predikció fokszáma, αi: 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 ! Microelectronics Mikroelektronika

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

54 900MHz-es mobil készülék kétfokozatú szuperheterodin vevő fokozata
1. keverő 2. keverő Demodulátor, processzor RF szűrő IF szűrő IF szűrő Tükör elnyomás Tükör elnyomás Antenna LNA Csatorna kiválasztás Oszcillátor Frekvencia osztó Keverék-frekvenciák: Tükörfrekvencia: kωbe± nωoszc Microelectronics

55 Bemeneti erősítő: Low Noise Amplifier (LNA)
Probléma: Antenna-impedancia → Rbe → gm → drain-áram → zaj ? valós, ha: VCC Fél-áramú CMOS megoldású. L2 LG L1 Rbe T2 nMOS másik fele T1 Ube+ Ube CGS T1 fele ID LS L3 Microelectronics

56 Differenciális felépítésű szabályozható erősítő
Hangolt kör Szabályozott Párhuzamos terhelés VCC VCC L8 C1 C2 L7 T8 T5 Uki+ Uki Referencia-fesz. Uref Uref T6 T7 VCC VCC Uszab Diff. Erősítő T5/T6 ill. T7/T8 L2 L5 L1 T2 L4 T4 Ube+ Ube T1 T3 L3 L6 Microelectronics

57 Bemeneti π-tagos kiszajú, szabályozott erősítő
VCC=2.5V L1 Rt terhelés Áram- szabályozás Uki Uszab T1 L2 Ube T2 C1=2pF C2 L3 VCC UC V1 V2 L2 L1 1,1GHz-es feszültségvezérelt (VCO) oszcillátor T1 T2 UG1 V1,V2: Változtatható kapacitások Microelectronics

58 MOS erősítő ID=K/2 (UGS-VT)2 QL=L/rs → Rp =? K=(μnεox/dox) (W/L)
VCC rs C L R Uki Ube T ID=K/2 (UGS-VT)2 K=(μnεox/dox) (W/L) gm=diD/duGS =? QL=L/rs → Rp =? Microelectronics

59 MOS oszcillátor Fázisfordító transzformátor
VCC C L Uosc C T Pozitív visszacsatolás: ϕ=3600 Amplitúdó limitálás Microelectronics

60 Frequency Shift Keying (FSK)
idő f0 f1 Microelectronics

61 Minimum Shift Keying (MSK)
Q (Quadrature) 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!) I (In-phase) + 90-fázisszög = „1” - 90-fázisszög = „0” Microelectronics

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

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

64 Adás/vétel-kapcsoló Antenna Adás Vétel T1 T2 R1 R2 R3 T3 R4 T3
Adás DC táp Vétel DC táp C1 C2 Uvez Uvez Microelectronics

65 IF demodulátor Multiplier Demodulált jel Limiter Alul- SFM(t) SQPSK(t)
& sávszűrő Alul- áteresztő szűrő SFM(t) SQPSK(t) Fázistoló Microelectronics

66 IF demodulálás az c vivő szorzásával
IF: SQPSK(t)=cos[ct+ϕ(t)] Fázistolás után: SFM(t)=cos[c(t-t0)+ϕ(t-t1)] t0= a vivő-, t1=a fázistoló késleltetése Multiplication és aluláteresztés után, ct=900 feltétellel, felhasználva: 2 sinα sinβ=cos(α +β)-cos(α -β) 2 cos[ct + ϕ(t)] cos[ct ϕ(t-t1)=cos[2ct+..]-cos[900 + ϕ(t) - ϕ(t-t1)] = = sin[ϕ(t) - ϕ(t-t1)]  ϕ(t) - ϕ(t-t1)  ϕ(t) t1 = demodulált jel Microelectronics

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

68 Scrambler áramkör Uki SR SR SR SR Ube + Shift Regiszter XOR kapu +
Microelectronics

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

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

71 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) Microelectronics

72 Dekódolás a Trellis rács alapján
RS-TS=11-00 Adat 1 1 1 11 11 Szimbólum 11 10 10 11 01 ? RS: Vett szimbólum 11 11 10 01 11 00 11 2 2 4 S00 00 00 X X X X 2 3 11 2 11 X 2 2 2 3 S01 X 2 2 X 01 1 32 4 X 2 S10 3 10 42 1 3 4 2 2 4 3 S11 X X TS RS-TS=11-11 Microelectronics

73 ACS (Add-Compare-Sum) egység blokksémája
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” 1 n d + összeadó Komparálás Szelektálás + + Microelectronics

74 Analóg Viterbi dekódoló
Itárolt Analóg Viterbi dekódoló CS UDD pMOS áramtükör 2 1 T15 T12 B T11 UDD T14 1 2 T3 UDD T4 UDD I1 I2 T9 T10 Analóg tároló Analóg tároló UR T7 UR T6 A A T13 nMOS áramtükör NMOS áramtükör T5 T8 T1 T2 Microelectronics

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

76 Batcher-Banyan kapcsoló
bemenetek kimenetek TG TG b) TG 1 1 TG 2 2 3 3 U kapcs 4 4 5 5 be ki 6 6 c) 7 7 U kapcs a) Microelectronics

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

78 MLT3 Multi-Level Transition („100 Base-T” hálózatok)
Bitfolyam 1 +1 MLT-3 -1 „1”-re alternál, „0”-ra marad Microelectronics

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

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

81 Gigabites Ethernet átvitele sodrott érpárakkal
PAM-5: 2,25 bit/ciklus 4 érpáron: 4x2,25=9bit/ciklus 8bit adat, 1bit hibajav. 54=625 kombináció, 2byte (páros/páratlan), =2x256=512 komb., maradék: hibajav, S/N. árnyékolatan sodrott érpár Tx Rx H 125Mb/s Microelectronics

82 Kombinált, Gigabit/s adó-vevő blokkséma
Media Independent Interface Külső vezérlés GMII, MII Interfész Media Independent Interface MUX/DMUX PHY control 10BASE-T PCS  PMA 100BASE-TX PCS  PMA 1000BASE-T PCS  PMA PAM-5 Manchester- kód MLT-3 DAC/ADC Meghajtók, Vevők Régebbi rendszerek Microelectronics Hibridek

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

84 Gigabites Ethernet vevő blokkséma
PMA: Physical Medium Attachment PCS: Physical Coding Sublayer GMII: Gigabit Media Independent Interface Adaptív dig. szűrő vett PAM-5 jel Baseline wander corr. 5 diszkrét szint 1. Echo & áthallás elnyomás (analóg) Adaptív kiegyenlítő Vonal DC korrekció Szint- felbontó AGC 1. PMA-egység (sodrott érpár, hibridről), analóg 8-állapotú trellis dekódolás, legvalósz. szimb. 2. Delay Skew Forward error correction Vevő logika szabványos Descrambler GMII, Transceiver felé 4. Négy sodrott érpár PCS-egység, digitális Bitkeverés fordított műv. Microelectronics

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

86 Tipikus impulzus visszhang görbék
1-0 átmenetre, 18 pontban (mintavétel=8ns), Távolság (mintavételi idő) és amplitúdó. Transceiver autom. tárol és eszerint kivon Tipikus impulzus visszhang görbék +1 +0,5 -0,5 Négy jelentős reflexió -1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Minták Microelectronics

87 Mixed-mode visszhang elnyomó áramkör
Tanulási folyamat: Reflektált jel→DAC, adott stratégia szerint optimalizálás (pl. LMS, Least Mean Square)) 250 MHz adat be 64 x 1 bit FIFO Kimenet Selector Visszhang kioltás Vett jel DAC1 DAC4 m1 m4 Visszhang elnyomott jel Emulált visszhang Súlytényező beállítás DA átalakítás, analóg összegzés és kivonás Microelectronics

88 TDx/Rx GND TX RX Ütközés Vcc Koaxiális kábel átvivő határfelület (DTE)
Adatvégződés Közegélérési egység (MAU) Gazdagép DC/DC átalakító 62 bit 2 bit 6 bájt 2 bájt 4 bájt Előhang SFD Forrás Hossz Adat FCS Célállomás címe bájt Microelectronics

89 vonal illesztő-tag Kétszer sodrott érpár kiegyenlítő MLT-3/Bináris
. Elválasztó transzformátor Kétszer sodrott érpár + 1 közös ér illesztő-tag közösmódusú szűrőtekercs közös (föld) vezeték vonal kiegyenlítő Bináris/MLT-3 MLT-3/Bináris visszakódoló vett jel adás-jel GND "K" Transceiver chip kódoló és meghajtó Microelectronics

90 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) Microelectronics

91 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, I2C interfész Mikrokontroller a vezérlésre, tesztelésre és debug-ra. Microelectronics

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

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

94 2,4 GHz-es kimenőoldali keverő (upconverter)
VCC L1 Végerősítő meghajtása URF T5 T6 T7 T8 T5-T8: keverők Local oscillátor ULO2 T4 T1 T1-T4: árammá Alakít és összead T2 T3 UIF,I UIF,Q C1 Igen Egymástól 90 fokra eltólt középfrekvenciás jelek Microelectronics

95 VLSI áramkörök tervezése és mérése
Microelectronics

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

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

98 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. Microelectronics

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

100 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 Microelectronics

101 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 Microelectronics

102 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) Microelectronics

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

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

105 Órajelek szétosztása a chipen
Központi órajel-meghajtó generátor Microelectronics

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

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

108 Repeater VCC M N CLK+ CLK CLK2+ CLK2 Meghajtó Elő-meghajtó Vevő CLK3+ T6 T5 T4 T3 T2 T1 T8 T10 T9 T7 T12 T11 K C 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. Microelectronics

109 Deskew áramkör az órajelek szétosztásához
Finom szabályozás VCC Durva szabályozás Sel 4x Mux 2x 1x Microelectronics

110 Handshake t2 Bemeneti adat Request t1 t3 Kimeneti adat Acknowledge
Microelectronics

111 Ön-időzítő áramkör VCC Áram érzékelő Bemenet Latch Logikai áramkör
Kimenet Időzítés be Időzítés ki Áram érzékelő Minimális késleltetés áramkör Microelectronics

112 Mikroáramkörök mérése
Boundary Scan élettartam-mérések IDDQ Mérőautomaták, pinelektronika Microelectronics

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

114 Scanning Electron Microscope (SEM) + sekunder elektronok: áramkör-vizsgálat
VCC IDDQ-mérés T2 YA A T1 VCC rövidzár T6 T5 B2 YB B1 T4 IDDQ T3 B2 Microelectronics

115 1-bites Boundary-Scan mikroprocesszor
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 Control Utasítás Microelectronics

116 Romlási folyamat mértéke [log fdeg] 1/T [1/oK] 180 oC 20 oC
Microelectronics

117 PIN Uhigh U1min Ablak-komparátor H SW1 Hiba- logika Kiértékelés L
Ulow U0max Strobe Várt adat Microelectronics Mikroelektronika

118 Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő
0,25m techn. λn=0,02/V λp=0,04/V γ=0,4(Usb)-1/2 VTn=0,48V VTp=-0,48V G=70 dB GBW=75MHz φm=55o P=0,72mW T1 T2 T8 T6 T5 T4 T3 T7 U+ U- 100A 200A 1,14V 50A 100/0,6 1,8V 0,64V 160/0,8 40/0,8 160/0,4 200/0,6 2pF 300Ω Uki 1,2V Microelectronics

119 Dinamikus kétfázisú logika
(nincs keresztbenyitás) Vcc előtöltés 1 p 1 Y=A. B A n C ki 2 Cparazita Δt B n 2 n nMOS logika kiértékelés Microelectronics

120 Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás
  Rekv U1 U2 U1 U2 C0 C0 U1 U2 C0  U1 Kapcsoló  Microelectronics

121 II. Invertáló integrátor
C1 Uki + C0 fs= switch frekvencia U1 Kapacitások aránya! Microelectronics