Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok Vizsgakérdések, 2008.

2) Logikai rendszerek - statikus CMOS logika, A ma használatos VLSI áramkörök általában az alábbi öt logikai rendszer alapján épülhetnek fel: - statikus CMOS logika, - dinamikus CMOS logika, - transzfer gate-s logika - bipoláris emittercsatolt (ECL) logika, mint az előzőek kiegészítője, - BiCMOS logika VLSI

3) Statikus CMOS logika Hátrány: Duál pMOS pull-up hálózat Vcc Y=A +B C t B A Hátrány: Duál pMOS pull-up hálózat 2xCbe bemeneti kapacitás, lassú Előny: Nincsenek időzítések, sem clock Egyszerű a tervezés VLSI VLSI áramkörök

Transzfer-gates logika (Pass gate logic) Y=A  B B Emittercsatolt logika (ECL) Vcc Szint- helyreállítás R1 R2 A B Uref Y=A . B VLSI

Egylépéses áramösszegző D/A VCC Virtuális föld R1 Sín  I - Sín Iref Uki + K0 K1 K7 T1 I0 2.I0 T8 128.I0 Di Di K-kapcsoló -USS å = I R U ki 1 VLSI

Feszültség-összegző kapacitív D/A átalakító Kv Uki C0 C0 2.C0 128.C0 Cref Uref Uki K7 K0 K1 Cgnd Uref VLSI

R/2R létrás D/A átalakító Ellenállás-osztós D/A átalakító Iref R Uref R R 2R 2R R R1 R Uki - Uki Virtuális föld + R R Bináris fa å - = × 1 2 n i ref ki D R U VLSI

Áramok kapacitív tárolása +U ITÁR + - C -U VLSI

Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe Unyitó Ube Uki Unyitó rON nMOS Unyitó G pMOS Cg s Cg d rsd K S D Uki Ube VTn VTp 5V Ube Cs b Cd b C terhelő eredő RC=integráló tag ! Spektrum…! VLSI

Chopper-stabilizált komparátor 1 2 Uoffset U C Uki 1 + U+ 1 2 VLSI

Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő 0,25m techn. λn=0,02/V λp=0,04/V VTn=0,48V VTp=-0,48V G=70 dB 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 VLSI

Chopper-stabilizált erősítő Főerősítő Ube Uki Hibaképző és kompenzáló K Chopper stabilizált mellékerősítő VLSI

On-chip thermosztát Ifűtő USzab IREF Szabályzó áramkör Hőmérséklet-mérő Szilícium-dióda „fűtő”-tranzisztor Ifűtő Differenciál-erősítő Szabályzó áramkör VLSI

Rezgő ellenállás Kapcsoló   Rekv U1 U2 U1 U2 C0 C0 U1 U2 C0  U1  VLSI

Klasszikus EEPROM cella n + Control gate S D tunnel oxid +12V 0 V WRITE ERASE READ URead +5V to gate from gate VLSI

VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció Költség Programozható (Gate-array, SoC) Cellás tervezés Full-custom (tipikus: mobil) Darabszám 1000 10,000 100,000 VLSI

PLA áramkörök elvi elrendezése mátrix VAGY Bemenetek Kimenetek Mintermek VLSI

Statikus PLA áramkör A+B VCC Ai Bi AB+AB R1 VLSI

Programozott áramkörök programtároló elemei Q n p VCC Statikus flip-flop EEPROM/FLASH Antifuse Tunnel Drain Control Gate Source Floating Szigetelő VLSI

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

EPLD blokkvázlata (Altera) Global Clock Programmable Interconnect Array (PIA) Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O Macrocell I/O VLSI

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

ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem Poliszilicium vezeték SiO2 szigetelő Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) ultravékony szigetelő n-adalékolt réteg Rnormal > 10 MΩ Rátütött < 300Ω 18V VLSI

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

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

System-on-Chip (SoC) áramkör NW N NE Express line W E Local line Cella Kapcsolódási pontok SW S SE Cellák közti közvetlen kapcsolat VLSI

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 VLSI

Az RS-232 soros átviteli szabvány 1 2 3 4 5 6 7 8 START BIT STOP LSB VLSI

Az I2C soros átviteli szabvány GND VCC x DATA CLK Data Data Clock Clock Stop Start 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 VLSI

1) Intelligens szenzor blokksémája Jel elő-készítő A/D átalakító RF Adatátvitel Jelfeldolgozó Processzor Adat memória Program memória VLSI

A szenzorok típusai - hőmérséklet-mérésen alapulók - mechanikai jellegűek - kémiai érzékelők - mágneses tereket érzékelők - optikai és fény érzékelők - sugárzások érzékelése - biológiai, biofizikai érzékelők VLSI

Szenzor alap-technológiák - Hagyományos, diszkrét elemekből - szilicium planar, System-on-Chip (SoC) - MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) - vékonyréteg techn. - vastagréteg techn. - mikrohullámú, optikai, stb. VLSI

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

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

Kapacitív szenzor-háló Nyomásmérés Szilicium lapka ellenállás üreg fém Membrán A klasszikus diszkrét nyomásmérő Kapacitív szenzor-háló VLSI

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

Xsensor (USA) tapintás-érzékelő 1 tenyér-érzékelő: 21 * 21 szenzor, 2,5mm felbontás 4 ujj-begy érzékelő, 9 * 9 szenzor, 1,25 *1,25 mm, felbontás = 1,5 mm Nyomásérték 0-1 atm 60,000 érzékelési pont/sec feldolgozási sebesség VLSI

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

Tapintásmérő jel-erősítő Tapintó-érzékelő a panelen VCC Sín VCC RREF Tapintásmérő jel-erősítő R1 U2 Uk U1 RMÉRŐ VCC dekóder Érzékelő PAD helipot Tapintó-érzékelő a panelen VLSI

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

ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor UG Folyadék-tér Referencia-elektróda US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor Referencia elektróda Folyadék-tér UG ion-szelektív áteresztő membrán hydrogel US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő Mérendő gáz Szelektív védőburok ChemFET Referencia ChemFET VLSI p72

Multi-szenzoros elrendezés Ablak Szigeteletlen, lebegő gate S1 D1 S2 D2 S3 D3 Minimum 3 szerves anyag érzékelése VLSI

Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével Vastag-réteg film SnO2 ellenállás Hőmérséklet-érzékelő E1 mérőelektróda E2 mérőelektróda Szigetelő membrán p-szilícium szubsztrát Poliszilícium fűtőellenállás n-szilícium sziget Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC VLSI

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

Felülethullámú szűrő (SAW) alkalmazása gázérzékelőként Piezo-elektromos hordozó Gázérzékelő bevonattal Levált szemcsék Fém-elektródák Gerjesztés Hullám-terjedés Detektálás A levált szemcsék megváltoztatják a terjedési sebességet, a szűrőt egy visszacsatolt rendszerbe helyezve, annak önfrekvenciája megváltozik VLSI White, Procc. IEEE 1970/58 p32

A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Δ d b a dl2 x A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Start 1 1 Start 1 Power up Write 10-bit csatorna cím Read 16-bit digitalizált érték ( 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 VLSI

Szilícium MEMS mérőtű Átmérő: 25-50m Mérhető terület: 100m2 Kimeneti szalagkábelek Átmérő: 25-50m Mérhető terület: 100m2 Méréshatár: 20V-1mV Sávszélesség: 10kHz Összekötő vezetékek Jelfeldolgozó áramkör Hordozó lemez Stimuláló/mérő pontok VLSI

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

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

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…” VLSI