Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

VLSI1 Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 2007.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "VLSI1 Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 2007."— Előadás másolata:

1 VLSI1 Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 2007.

2 VLSI2 Intelligens szenzor blokksémája Szenzor Jel elő- készítő Jelfeldolgozó Processzor A/D átalakító Adat memória Program memória Adatátvitel RF

3 VLSI3 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 Logika

4 VLSI4 nn p p VccVcc Y=A +B C t B A Statikus CMOS logika -Duál pull-up hálózat - 2xC be -Nincs időzítés (standby) -Egyszerű a tervezés Logika

5 VLSI5 Y=A  B A A B R1R1 A U ref B Y=A. B V cc R2R2 Transzfer-gates logika (Pass gate logic) Emittercsatolt logika (ECL) Szint- helyreállítás Logika

6 VLSI6 Statikus RS-tároló T1T1 Q C2C2 Q C1C1 SET RESET V CC V cc Q D  beírás  tartás V cc C par Kvázi-statikus D-tár Brute force…! Logika

7 VLSI7 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

8 VLSI8 U ref Feszültség-összegző D/A átalakító U ref C0C0 2.C02.C C 0 C0C0 K0K0 K1K1 KvKv K7K7 U ki C gnd C ref U ki D/A conv

9 VLSI9 R/2R létrás D/A átalakító R R1R1 - + U ki 2R R I ref     n i i i refki D R R UU U ref R U ki R R R R Ellenállás-osztós D/A átalakító D/A conv Bináris fa Virtuális föld

10 VLSI10 Töltés-újraelosztásos kapacitív A/D átalakító K7K7 K1K1 KvKv C-háló K0K0 K be U be + SAR UxUx U ref C0C0 1.Mintavétel (sample): K v zár, K be → U be 2.Tartás (hold): K v nyit, K 0 - K 7 zár, U x = -U be 3.Újraelosztás (redistribution) K be → U ref 3.1. K 0 nyit 3.2 K 1 nyit, stb. 1-et ír be, ha pozitív Successive Approximation Register komparátor D/A conv

11 VLSI11 Áramok kapacitív tárolása + - C I TÁR +U -U D/A conv

12 VLSI12 Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító d D/A conv

13 VLSI13 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….

14 VLSI14 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

15 VLSI15 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

16 VLSI16 C U offset 11 22 22 11 + U+U+ U ki U Chopper-stabilizált komparátor Analóg 11

17 VLSI17 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

18 VLSI18 K Hibaképző és kompenzáló U ki Főerősítő U be Chopper stabilizált mellékerősítő Chopper-stabilizált erősítő Analóg

19 VLSI19 „Bandgap” referencia- feszültség V DD UBGUBG R1R1 T1T1 R3R3 R2R2 + T2T2 Q1Q1 Q2Q2 U EB1 I2I2 I1I1 U EB2 V BB Analóg I D =I 0 exp(qU D /kT) X kT/q

20 VLSI20 On-chip thermosztát I REF U Szab Hőmérséklet-mérő Szilícium-dióda „fűtő”- tranzisztor I fűtő Differenciál-erősítő Szabályzó áramkör Faichild, 1964 Analóg

21 VLSI21 „Wide-swing”-áramtükör U DS = közel állandó I gen I tülör V CC R1R1 (Kiiktatja T 2 drain-feszültség függését) T2T2 T1T1 U G1 T3T3 Generátor Analóg T3 „megfogja” az M-pont feszültségét M

22 VLSI22 U G4 V DD U be (j) T1T1 IjIj U COM U ki (j) T2T2 T3T3 T4T4 V SS T5T5 U G5 WTA áramkör telítéses tranzisztorokal (Winner Take All) IDID Ha U be(j ) megnő, I J megnő, felhúzza U COM -ot, többi cella árama lecsökken, összáram állandó marad! Analóg k=k 4 I D =mI j m=mirror mirror

23 VLSI23 Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás   U1U1 C0C0 U2U2 U1U1 U2U2 C0C0 R ekv C0C0 U1U1 U2U2   U1U1 Kapcsoló Analóg

24 VLSI24 Klasszikus EEPROM cella n + n + Control gate S D tunnel oxid +12V 0 V+12V WRITE ERASE READ 0 V U Read +5V + to gate from gate Memória

25 VLSI25 U control USUS U Dszab U tunnel =12V Lebegő gate „Hot-elektron injekció Tunnelezés vissza n+n+ poly Szinapszis-áramkör alkalmazása U Control U Tunnel U Dszab Tanuló elem visszatunnelező elektronjai „Tanító feszültség”=-5V synapsis

26 VLSI26 U tunnel = 12V Synapse11 Synapse12Synapse13 U D,szab I sum U C3 I S1 I S2 I S3 0 T1T1 T2T2 T3T3 U C2 U C1 Szinapszis-áramkör alkalmazása U tunnel : alagútáram, U D : drainfesz. közös; U C : gatefesz. külön-külön, Tanulás: 10  s,  U c1 =-5V, →  U fl1 =-4V (4/5-öd),  U tunnel =12V →  U 1 =-16V, elektronok távoznak T1-ről. A többi tranzisztornál  U=-12V, tunnel áram=0. T1 árama exp. megnő → megnő a súlya I SUM -ban, U Dszab visszaszabályoz… -5V synapsis

27 VLSI27 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

28 VLSI28 ÉS mátrix VAGY mátrix BemenetekKimenetek Mintermek PLA áramkörök elvi elrendezése PLA

29 VLSI29 A+B V CC AiAi BiBi AB+AB R1R1 Statikus PLA áramkör PLA

30 VLSI30 AiAi A i B i BiBi BiBi AiAi CY i B i+1 A i+1 CY i+1 K1K1 K0K0 BiBi AiAi CY i Kétbites aritmetikai egység megvalósítása PLA-val Increment: K0=K1=0K0=K1=0 1 PLA

31 VLSI31 Programozott áramkörök programtároló elemei Statikus flip-flop UV-EPROM EEPROM/FLASH Antifuse Q n p p n V CC Floating Drain Control Gate Source Tunnel Drain Control Gate Source Floating Szigetelő FPGA

32 VLSI32 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

33 VLSI33 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

34 VLSI34 PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK (XILINX) CLB SWITCH MATRIX - Programozható - Szomszédos cellák között fix - Globális vonalak - Long-range vonalak FPGA

35 VLSI35 Config. dinamikus shift regiszter d i+1 CiCi C i+1 11 V CC 22 didi 16 / 1 MUX LUT out Read Read out RAM out Out Configuration write in V CC 4 / 16 Címkóder Shift 0 15 QPro Virtex-II Triple function slice circuit MUX - LUT (1bit ROM) - 16 bit RAM - 16 bit Shift regiszter Bit stream 4 Write 4 Read RAM data in Closed if not RAM FPGA

36 VLSI36 Input/Output Blokk Szorzó áramkör Órajel vezérlő Konfigurálható Logikai Blokk Globális órajel elosztó Memory-hungry? QPro Virtex-II Chip-architektúra FPGA

37 VLSI37 QPro Virtex-II Összeköttetések Horizontális és vertikális „Long Lines” Horizontális és vertikális „Hex Lines” (3. és 6. block) Horizontális és vertikális „Double Lines” Direkt vonalak a szomszédos 8 blokkhoz Switch matrix FPGA

38 VLSI38 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

39 VLSI39 Anfuse elemek programozása (átütése) F1: row1=18V T2 on GND F3: col3=18V T1 on GND FPGA

40 VLSI40 System-on-Chip (SoC) áramkörök Dual-port memória FPGA 8-bites mikrocontroller FPGA

41 VLSI41 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

42 VLSI42 S Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör Cellák közti közvetlen kapcsolat Kapcsolódási pontok N E W SESW NWNE Cella Express line Local line FPGA

43 VLSI43 SoC logikai blokk 8x1 LOOK-UP TABLE 8x1 LOOK-UP TABLE NWNESESWNESWOGDG D Q R CLK NWNESESWNESW konfigurált multiplexer. (alapesetben "1" ) LB FBin LB2 CEout FPGA

44 VLSI44 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.

45 VLSI45 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.

46 VLSI46 Rendszer-vezérlő regiszterek 1. Utasítás számláló (PC, program counter, 16-bit) 64KB közvetlenül címezhető. - memória-bankok: külön chip-enable logika 2. Stack pointer (SP, 8-bit): „last entry or top of the stack”, push előtt automatikus increment, pop előtt decrement (az alsó címen a cím High-byte, felsőn a Low-byte) 3. Status Regiszter (ST, 8-bit): Carry, Negative (Msb=előjel), Zero, Overflow, Interrupt enable on levels 4. Configurációs regiszterek (pl. 3x8 bit): Autowait, Osc.OK, Mode control, Halt, Standby, Priviledge mode, Cold start (100ms wait), Test Proc.

47 VLSI47 RISC utasításkészlet Tipikus „Reduced Instruction Set Computer” utasítás-készlet: 1.Arithmetic: ADD, ADC, DAC, SUB, SBB, DSB, CMP, INC, INCW, DEC, MPY, DIV, CMP 2.Logical: AND, OR, XOR, INV, COMPL, RR, RRC,RL, RLC, SBIT0, SBIT1, CMPBIT, CLR, SWAP, TST 3.Move: MOV (pl. 27), MOVW, XCHB 4.Stack&Status: LDST, LDSP, POP, PUSH, SETC, CLRC, DINT, EINT 5.Egyéb: BR, JMP, JMPBIT, DJNZ, CALL, CALLR, RTS, RTI, NOP, IDLE, TRAP Proc.

48 VLSI48 ”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.

49 VLSI49 Serial Communication Interface (SCI) felprogramozása Baud rate = CLK/(128*K), ahol CLK=kristály-frekvencia, K= konstans, beírandó SCI periféria-regiszterbe; kerekítési hiba <2% További regiszterek ill. bitek: - set TX and RX to privileg (nem hozzáférhető) üzemmódba - RS232 CLK pin → general purpose I/O - stop bit, even parity, 8-bits/char - enable interrupts - start transmit Proc.

50 VLSI50 ”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.

51 VLSI51 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.

52 VLSI52 A/D átalakító blokksémája Input select Succesive Approximation ADC V REF select Data buffer Sample start Convert start Ready Digit. input In0 In7 Flag+Int. Proc.

53 VLSI53 Mintavétel start Konverzió start Adat→ buffer Csatorna szelektálás Kész? C be UxUx RGRG R be Átalakító a) b) Serial Communication Interface (SCI) folyamatábrája Proc.

54 VLSI54 ADC SCI TIMER SPI Ext. INT LEVEL 1 LEVEL 2 Interrupt prioritások kijelölése Proc.

55 VLSI55 Input data Output data Pad CLR D Q Level 1 Requ. IE2 1 Enable Priority select Level 2 Requ. IE1 Polarity Interrupt kezelés Interrupt rendszer: fix sorrend, de két prioritási szint - globális (EINT, EINTH, EINTL) és egyedi engedélyezés - vektoros címzés: 7FBEh-től az ugrási címek Proc.

56 VLSI56 Mikrokontrolleres fejlesztés lépései 2. Step-by-Step üzemmód Tracing: kijelölt tárolók utólsó 1024 lépésben felvett értékének elmentése Real-time Simulator: időzített interuptok Real-time hardware emulator: minden regiszter és memória-rekesz tárolásra kerül, visszaolvasható C-compiler C-debugger Proc.

57 VLSI57 ffffffff 256 byte RAM címe d Utasítás kódja (opcode) Harvard-struktúrájú mikroprocesszor 16-bites szó-szerkezete Adat iránya Proc.

58 VLSI58 8 Program memória RAM ALU PC Dekóder További egységek Harvard-struktúrájú mikroprocesszor blokkvázlata Proc.

59 VLSI59 Digitális jelfeldolgozó processzor, DSP -Harvard struktúra - komplex utasítások (pl. mpy, add és store - tömb-kezelés - nagy sebesség Proc.

60 VLSI60 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 Interface

61 VLSI START BIT STOP BIT LSB Az RS-232 soros átviteli szabvány Interface

62 VLSI62 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 Interface

63 VLSI63 Érzékelők alkalmazási területei - nyomás,erő,elmozdulás,gyorsulás, közelítés, pozició (GPS), földrengés, áramlások, abrocs-nyomás, airbag, érdesség, tapintás, - akusztikus érzékelés, nagyothallók, ablakbetörés, gépkocsi zajkompenzálás, - hőmérséklet, kalória, - nedvesség, víztartalom, érettség, élelmiszerek, ivóvíz(!) - gázok, gázösszetétel, CO, CO 2, NO, folyadékok és összetételük, pH, szerves és szervetlen anyagok azonosítása, - mágneses terek, Hall-cellák, rádioaktív mérések, - sugárzások, izotópos vizsgálatok, - optikai érzékelés, fény-intenzitás, spektrális eloszlás - biofizikai érzékelők, ECG, EEG, akusztikus érzékelések, szívritmus, perctérfogat, véráramlás-mérés - biológiai érzékelők, DNA, protein, emzimek, idegsejtek potenciáljai, cochlea, mesterséges retina SENSOR

64 VLSI64 Az érzékelés módszerei és a szenzorok típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill. ultrahangos - hőmérséklet-mérésen alapulók - mechanikai jellegűek - kémiai érzékelők - mágneses tereket érzékelők - optikai és fény érzékelők - sugárzások érzékelése - biológiai, biofizikai érzékelők SENSOR

65 VLSI65 Alap- technológiák - Hagyományos, diszkrét elemekből - szilicium planar, System-on-Chip (SoC) - MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) - vékonyréteg techn. - vastagréteg techn. - mikrohullámú, optikai, stb. - kompenzálás, kalibrálás - analog-digitál átalakítás - jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés - tárolás - adatátvitel - programozhatóság, adaptivitás, öntanulás - Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test) IEEE szabvány, 1997 Szenzorok intelligenciája SENSOR

66 VLSI66 „Smart Power” áramkörök - teljesítmény-eszközök: hőmegfutás, tönkremenetel -védelem: on-chip hőérzékelés és lekapcsolás - tipikus alkalmazások: nagyáramú relés meghajtások - szakaszos (sleep) üzemmód - optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek) -rádiófrekvenciás átvitel … távolságok...? Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás SENSOR

67 VLSI67 Páciensen “hordott” szenzorok Respiráció Érzékelős ruhák: ECG Darázs ultrahangos adóval Denevér antennával Vezetéknélküli adatátvitel SENSOR

68 VLSI68 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

69 VLSI69 Ujjlenyomatok kapacitív érzékelésének elve CfCf SiN Kapacitás alsó fegyverzete Ujjbegy Szigetelő lemez Ujjlenyomat azonosítás Mechanika

70 VLSI70 Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés Érzékelő lemez Érzékelő lemez Érzékelő lemez Érzékelő lemez U Ki C par I töltő Kapcsoló Kiolvasó vonal Másik fegyverzet = ujjbegy = GND TFT tranzisztoros áramkör Mechanika

71 VLSI71 Ujjlenyomat érzékelő/azonosító pixel áramköre N pixel S pixel W pixel E pixel Memória Regiszter Komparátor Szenzor lemez Érzékelő áramkör Szelektor User template Kontroller Szomszédos pixelek Eredmény Azonosítás eredménye Pixel processzáló áramkör Mechanika

72 VLSI72 Szilicium lapka ellenállás üreg fém Membrán Kapacitív szenzor-háló A klasszikus diszkrét nyomásmérő Nyomásmérés Mechanika

73 VLSI73 Integrált nyomásérzékelő (Motorola) 68HC05 CPU Analóg interface SPI 4K EPROM MEMS nyomás- mérő RAM Comp Bias 8-bit A/D conv Mechanika

74 VLSI74 Többcsatornás implantált nyomás-érzékelő Implantált Titán csap  4,5, H5,5mm Pillér Nyomásmérő Rágó híd Gumi Csont W. Claes, IEEE/SSC 37/3 Tok +akkumulátor 1,55V / 45mAh Mechanika

75 VLSI75 Integrált protézis nyomás-érzékelő blokkvázlata Érzékelő interfész chip RF Ki/bemenet Controller RAM Adat processzor Nyomás- értékek I m +I comp VV ImIm R ref R ny Áram-meghajtású nyomásmérő híd Mechanika

76 VLSI76 Nyomásmérő interface chip blokkvázlata Referencia áram Mintavevő tartó 9-bit kapacitív Succ. Approx. A/D-átalakító 5-bites áram- memória Áram-kompenz. 5-bites D/A konv. Multiplexer 2 kHz-es órajel és fázisjelek 18 db. külső nyomás- mérő Chopper-stab. erősítő Kimenetek R ref 0,7  m techn. 4,6 x 5,2 mm I táp =0,7mA Mechanika

77 VLSI77 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 Mechanika

78 VLSI78 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

79 VLSI79 V1V1 GND V DD V2V2 V3V3 V4V4 Változó (megnyomott) ellenállások Referencia ellenállások Lebegő híd MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza 6 kivezetés/híd Mechanika

80 VLSI80 Tapintásmérő jel-erősítő U1U1 V CC Érzékelő R1R1 R2R2 R REF R MÉRŐ U2U2 helipot UkUk dekóder Sín PAD Tapintó-érzékelő a panelen Mechanika

81 VLSI81 Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa Fésű-elrendezésű aktuátor Érzékelt mechanikai erőhatás Áram érzékelés Meghajtó feszültség Horgony Mechanika

82 VLSI82 Ellentétes fázisú Négyszögjel generátor Demodulátor és aluláteresztő szűrő Buffer erősítő Kimenet Mozgó elektróda Fix elektródák Dinamikus visszacsatolás a mozdulatlanság biztosítására 3MΩ ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája Mechanika

83 VLSI83 Áramlásmérés (folyadékok, gázok) hőmérséklet-méréssel U ki R 1 R m =R 2 R 3 R1R1 R3R3 R2R2 RmRm Áramlással hűtött vékony-szálas hőmérő-ellenállás Fűtés: R m (U ki ), műveleti erősítő szabályozza  R=  T ; ha R 2 » R m, akkor I Rm ≈const., és  T=I R2  U ki /  Áramlás

84 VLSI84 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

85 VLSI85 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

86 VLSI86 Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő p72 Referencia ChemFET Szelektív védőburok Mérendő gáz Kémia

87 VLSI87 Multi-szenzoros elrendezés Minimum 3 szerves anyag érzékelése Szigeteletlen, lebegő gate S1S1 S2S2 S3S3 D3D3 D2D2 D1D1 Ablak Kémia

88 VLSI88 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

89 VLSI89 Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal Változó ellenállás Kémia

90 VLSI90 Implantált neurális érzékelők nagyfrekvenciás (induktív) hozzáférése Külső szenzor Külső elektronika és telep Adótekercs Vizuális protézis Többmenetes vevőtekercs Elektróda array Vevőtekercs Diszkrét elemek VLSI DEMUX chip Polyimid tartólemez 1,0 cm Polyimid tartólemez Space Width Elektróda array VLSI DEMUX chip (pl. vizuális protézis esetében) Neural

91 VLSI91 Nagyfrekvenciás (induktív) csatolás r 12 Δ d b a dl 2 x r 12 Δ d b a dl 2 x  Eltólt, és  -szöggel elfordított vevőtekercs Δ-távolsággal laterálisan eltólt vevőtekercs  0 =4π H/m vákuum permeabilitás

92 VLSI92 ABC Neural

93 VLSI93 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

94 VLSI94 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

95 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

96 VLSI96 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

97 VLSI97 Aktív 3D mikroelektróda elrendezés Tű hossza: 1,2mm szélessége: 50  m vastagsága: 12  m 2 kontaktáló pont: iridium/titanium, 9 x 9  m, egymástól 24  m, hegytől 200  m Tűk egymástól való távolsága: 200  m, hálóban (..az első in vivo 3D-es idegpotenciál mérés, tengeri malacokon) 3  m-os CMOS techn. 50  m vastag lemez, „szárnyakkal” rögzítve, rajta 4 előerősítő (kísérlet) és 4/1 MUX Kivezetések: Adat, CLK, RST, VDD,GND Neural

98 VLSI98 A 3D-s mérőrendszer vázlata 4 db. előerősítő (?) 4/1 multiplexer Erősítő (6x) Mintavétel engedélyezés Demultiplexer Erősítők (1000x) Aluláteresztő szűrő Órajel generátor CLK Reset VDD Adat GND Aktív (elektrónikát tartalmazó) mérőtűs „próba” Külső egység Neural

99 VLSI99 A 32-pontos stimuláló rendszerhez kifejlesztett SoC chip blokksémája Neural

100 VLSI100 A 32-pontos stimuláló rendszer belső chip-je Feszültség- szabályzó Vevő-áramkör Referencia- generátor Egyenirányító Regiszter-tömb Áram-meghajtók Controller Power on reset Visszirányú adatátvitel DAC Neural

101 VLSI101 Szilícium MEMS mérőtű Átmérő:  m Mérhető terület: 100  m 2 Méréshatár: 20  V-1mV Sávszélesség: 10kHz Stimuláló/mérő pontok Kimeneti szalagkábelek Hordozó lemez Összekötő vezetékek Jelfeldolgozó áramkör Neural

102 VLSI102 Feldolgozó áramkörrel egybeépített 8-tűs mérőrendszer Neural

103 VLSI103 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

104 VLSI104 Rádiófrekvenciásan táplált SoC áramkörös retina implant Micro konnektor kábel Video Kamera Retina Látóideg Hermetikus lezárás RF antenna System on Chip (SoC) áramkör Szemüveg Neural

105 VLSI105 4 x 4-es beültetett retina elektróda felvétele A flexibilis vezetőkkel ellátott szalagba beépített platina-elektródák mérete: 260  m, vagy 520  m átmérő A chip mérete: 4 x 5 mm „Az elektróda gerjeszti a cellákat, de nem tudjuk, hányat…” Neural

106 VLSI106 Atomic Force Mikroszkóp (AMF) érzékelő Piezorezisztor Cantilever vezetékekel Hall-elem Érzékelő tű (0,2 nm=2 Angström) Brook, J. Micromech. Microeng. 13/1 AMF

107 VLSI107 Anyag szerkezetének feltérképezése AFM (Atomic Force Microscope) segítségével atomi pontossággal. Mérőtű Felület AMF

108 VLSI108 Tunnel-áram (piros körök között) Rövidtávú erőhatás (sötétkék körök között) Hosszútávú erőhatás Teljes erő Erő [nN] Áram [nA] Atomi erőhatások és tunnel-áram AMF

109 VLSI109 Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve AMF

110 VLSI House/3M típ. egysávos „transcutaneous” cochlea-implant vázlata adó fokozat Implantált vevő Mikrofon Külső adórész Elektródák Bőr Belső vevőrész Külső tekercs Belső tekercs Sávszűrő Hz 16 kHz-es modulátor Kimeneti erősítő Erősítő Jelfeldolgozó processzor Demodulálás nincs Cochlea

111 VLSI111 Vienna/3M tip. egysávos, amplitúdó-modulált „transcutaneous” cochlea-implant vázlata AM adó fokozat AM implantált vevő Mikrofon Külső adórész Elektródák Bőr Belső vevőrész Külső tekercs Belső tekercs Sávszűrő Hz Automatikus erősítés szabályozás (AGC) Változtatható előerősítő Jelfeldolgozó processzor Cochlea

112 VLSI112 Compressed Analog (CA) többsávos, „transcutaneous” cochlea-implant vázlata Mikrofon Sávszűrő 0,1 kHz - 0,7 kHz Sávszűrő 2,3 kHz - 5,0 kHz Sávszűrő 1,4 kHz - 2,3 kHz Sávszűrő 0,7 kHz - 1,4 kHz 1. Erősítő2. Erősítő3. Erősítő4. Erősítő1. Elektróda2. Elektróda3. Elektróda4. Elektróda Cochlea

113 VLSI113 RtRt Piezoelektromos kerámia UgUg Adó Vevő Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW) Hullámhossz: Átvitt sáv függ: ujjak mérete, száma 30 MHz Aktív réteggel bevont nyitott ablak SAW

114 VLSI114 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 hordozó Gázérzékelő bevonattal SAW

115 VLSI115 DNS azonosítás DNS


Letölteni ppt "VLSI1 Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 2007."

Hasonló előadás


Google Hirdetések