Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .
description
Transcript of Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .
![Page 1: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/1.jpg)
VLSI 1
Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens
szenzorok, 2007.
![Page 2: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/2.jpg)
VLSI 2
Intelligens szenzor blokksémája
Szenzor Jel elő-készítő
JelfeldolgozóProcesszor
A/Dátalakító
Adatmemória
Programmemória
Adatátvitel
RF
![Page 3: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/3.jpg)
VLSI 3
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
![Page 4: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/4.jpg)
VLSI 4
n n
p
p
Vcc
Y=A +B
C t
B
A
Statikus CMOS logika
-Duál pull-up hálózat- 2xCbe
-Nincs időzítés (standby)-Egyszerű a tervezés
Logika
![Page 5: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/5.jpg)
VLSI 5
Y=A B
A
A
B
R1
A UrefB Y=A . B
Vcc
R2
Transzfer-gates logika (Pass gate logic)
Emittercsatolt logika (ECL)
Szint-helyreállítás
Logika
![Page 6: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/6.jpg)
VLSI 6
Statikus RS-tároló
T1
Q
C2
Q
C1
SETRESET
VCC
Vcc
QD
beírás
tartás
Vcc
Cpar
Kvázi-statikus D-tár
Brute force…!
Logika
![Page 7: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/7.jpg)
VLSI 7
Egylépéses áramösszegző D/A
DiDi128.I0T8T1
Iref
I
K7
I0
K0 K1
2.I0
VCC R1
-+
Uki
IRUki 1
-USS
K-kapcsoló
D/A conv
Virtuális föld
SínSín
![Page 8: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/8.jpg)
VLSI 8
Uref
Feszültség-összegző D/A átalakító
Uref
C0 2.C0128.C0
C0
K0 K1
Kv
K7
Uki
Cgnd
CrefUki
1
0)()(
)(
2
n
iii
refgndref
ref
refki
DU
CC
CUU
D/A conv
![Page 9: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/9.jpg)
VLSI 9
R/2R létrás D/A átalakító
R
R1
-+
Uki
2R
R
2R
Iref
1
0
1
2
n
iii
refki
D
R
RUU
Uref
R
Uki
R
R
R
R
Ellenállás-osztós D/A átalakító
D/A conv
Bináris fa
Virtuális föld
![Page 10: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/10.jpg)
VLSI 10
Töltés-újraelosztásos kapacitív A/D átalakító
K7K1
Kv
C-háló
K0
Kbe
Ube
+
SAR
Ux
Uref
C0
2ref
bex
UUU
1. Mintavétel (sample): Kv zár, Kbe→ Ube
2. Tartás (hold): Kv nyit, K0- K7 zár, Ux= -Ube
3. Újraelosztás (redistribution)Kbe → Uref
3.1. K0 nyit
3.2 K1 nyit, stb.
1-et ír be, ha pozitív
Successive Approximation Register
komparátor
D/A conv
![Page 11: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/11.jpg)
VLSI 11
Áramok kapacitív tárolása
+-
C
ITÁR
+U
-U
D/A conv
![Page 12: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/12.jpg)
VLSI 12
Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító
d
Φ3
Φ1
Φ2
T3
IBE
+V
-+
IREF
T1 T2
C1 C2
C3
SS
d (Φ1+ Φ2) + Φ4
-V
Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor
21 3
2IBE
IBEIBE
Ha 2IBE>IREF, akkor d=1
4
D/A conv
![Page 13: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/13.jpg)
VLSI 13
d
Φ3
Φ1
Φ2
T3
+V
-+
IREF
T1 T2
C1 C2
C3
d (Φ1+ Φ2) + Φ4
-V
Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor
Ha IX>IREF, akkor d=1
I3
I2I1
D/A convI3 „átmásolása” C1 és C2-be….
![Page 14: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/14.jpg)
VLSI 14
Áramkapcsolós A/D további lépései
-+
C
I2. lépés: d=1, S=0 I3= 2IBE
I1=I2=2IBE-IREF
I3=(I1+I2)=4IBE-2IREF
4IBE-2IREF>IREF → IBE>3/4 IREF
3. lépés: d=1, S=0 I1=I2=I3-IREF=4IBE-3IREF
I3=(I1+I2)=8IBE-6IREF
8IBE-6IREF>IREF → IBE>7/8 IREF
-U
+U
D/A conv
![Page 15: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/15.jpg)
VLSI 15
Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe
Cg s
S DKrsd
Ube
Cg d
Cd bCs b
G
C
Uki 0 5VVTn VTp
nMOS
pMOS
rON
Ube
Analóg
Ube Uki
Unyitó
Unyitó
Unyitó
terhelő
RC=integráló tag !Spektrum…!
eredő
![Page 16: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/16.jpg)
VLSI 16
C
Uoffset
1
2
2
1
+U+
Uki
U
Chopper-stabilizált komparátor
Analóg
1
![Page 17: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/17.jpg)
VLSI 17
Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő
)/(:
2
)()( 6542
5121
mSVmAmeredekség
IL
wKg
gggg
ggAAA
Dm
dsdsdsds
mmv
T1
T2
T8T6
T5
T4T3
T7
U+ U-
100A
100A
200A
1,14V
50A
100/0,6
1,8V
0,64V
1,14V
1,14V100/0,6
160/0,8
40/0,8
160/0,4
200/0,6
160/0,4
40/0,8
2pF300ΩUki1,2V
0,25m techn.
λn=0,02/V
λp=0,04/V
γ=0,4 [V-1/2]
VTn=0,48V
VTp=-0,48V
G=70 dB
GBW=75MH
z
φm=55o
P=0,72mW
C
Tmunit C
gf 1,
Analóg
![Page 18: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/18.jpg)
VLSI 18
K
Hibaképző éskompenzáló
Uki
Főerősítő
Ube
Chopper stabilizáltmellékerősítő
Chopper-stabilizált erősítőAnalóg
![Page 19: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/19.jpg)
VLSI 19
„Bandgap” referencia-feszültség
CmVT
U
UTconstUI
I
q
kT
R
RURIU
I
I
RI
I
I
q
kTUURI
oEB
EBEBEBBG
EBEB
/2
ln
ln1
ln
1
112
1
3
2122
2
1
32
2
12132
VDD
UBG
R1
T1
R3
R2
+
T2
Q1 Q2
UEB1
I2I1
UEB1 UEB2VBB
Analóg
ID=I0 exp(qUD/kT)
X kT/q
![Page 20: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/20.jpg)
VLSI 20
On-chip thermosztát
IREFUSzab
Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda
„fűtő”-tranzisztor
Ifűtő
Differenciál-erősítő
Szabályzóáramkör
Faichild, 1964
Analóg
![Page 21: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/21.jpg)
VLSI 21
„Wide-swing”-áramtükör
UDS= közel állandó
Igen Itülör
VCC
R1
(Kiiktatja T2 drain-feszültség függését)
T2T1
UG1T3
Generátor
Analóg
T3 „megfogja” az M-pontfeszültségét
M
![Page 22: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/22.jpg)
VLSI 22
UG4
VDD
Ube (j)
T1
Ij
UCOM
Uki (j)
T2 T3
T4
VSS
T5UG5
SS
SSTG
jki V
VVUk
mIU 1
)(
212
44
)1()(2
2DSTGSD UVU
kI
21 )(2 COMTbej UVjUk
I
WTA áramkör telítéses tranzisztorokal
(Winner Take All)
ID
Ha Ube(j) megnő, IJ megnő,
felhúzza UCOM-ot, többi cella árama lecsökken, összáram állandó marad!
Analóg
k=k4
ID=mIj m=mirror
mirror
![Page 23: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/23.jpg)
VLSI 23
Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás
ssequ fUUCfQI )( 2100
U1
C0
U2
U1 U2
C0
Rekv
0
21 1
CfI
UUR
sequequ
C0
U1 U2
U1
Kapcsoló
Analóg
![Page 24: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/24.jpg)
VLSI 24
Klasszikus EEPROM cella
n+ n+
Control gate
S D
tunnel oxid
+12V
0 V +12V
+12V
WRITE ERASE READ
0 V URead
+5V
+5V
+
to gate from gate
Memória
![Page 25: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/25.jpg)
VLSI 25
Ucontrol
US
UDszab
Utunnel=12V
Lebegő gate„Hot-elektron injekció Tunnelezés vissza
n+
poly
Szinapszis-áramkör alkalmazása
UControl
UTunnelUDszab
Tanuló elem visszatunnelező elektronjai
„Tanító feszültség”=-5V
„Tanító feszültség”=-5V
synapsis
![Page 26: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/26.jpg)
VLSI 26
Utunnel = 12V
Synapse11 Synapse12 Synapse13
UD,szab
Isum
UC3
IS1IS2 IS3
0
T1 T2 T3
UC2UC1
Szinapszis-áramkör alkalmazása
Utunnel: alagútáram, UD: drainfesz. közös; UC: gatefesz. külön-külön, Tanulás: 10s, Uc1=-5V, → Ufl1=-4V (4/5-öd), Utunnel=12V → U1=-16V, elektronok távoznak T1-ről. A többi tranzisztornál U=-12V, tunnel áram=0.T1 árama exp. megnő → megnő a súlya ISUM-ban, UDszab visszaszabályoz…
-5V
synapsis
![Page 27: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/27.jpg)
VLSI 27
VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei
1000 10,000 100,000
Full-custom (tipikus: mobil)
Darabszám
Cellás tervezés
Programozható(Gate-array, SoC)
Költség
Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció
PLA
![Page 28: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/28.jpg)
VLSI 28
ÉS mátrix
VAGY mátrix
Bemenetek Kimenetek
Mintermek
54321 xxxxxf
PLA áramkörök elvi elrendezése PLA
![Page 29: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/29.jpg)
VLSI 29
A+B
A+B
A+B
VCC
Ai Bi
VCC
AB+ABAB+AB
R1
Statikus PLA áramkör PLA
![Page 30: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/30.jpg)
VLSI 30
Ai
Ai Bi
Ai Bi
Ai Bi
Ai Bi
Bi
Bi
Ai
CYi
Bi+1Ai+1 CYi+1K1K0BiAi
CYi
Kétbites aritmetikai egység megvalósítása PLA-val
iiiii BABAB 1
Increment:
iiiiii BAKKBAKKBA 1010
K0=K1=01 1
PLA
![Page 31: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/31.jpg)
VLSI 31
Programozott áramkörök programtároló elemei
• Statikus flip-flop
• UV-EPROM
• EEPROM/FLASH
• Antifuse
Q
n
pp
n
VCC
Floating
Drain
Control Gate
Source
Tunnel
Drain
Control Gate
Source
Floating
Szigetelő
FPGA
![Page 32: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/32.jpg)
VLSI 32
Prog.
Prog.
inverz
Preset
Clear
EEPLD „Makrocella” felépítése
DP
Q
C
Bemenetekről Makrocellákról
I/O-ról
Output Enable
Global órajel
Cella órajel
Programozható flip-flop
I/O pin
Inputs
EEPROM cella
products
sum
FPGA
![Page 33: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/33.jpg)
VLSI 33
Programmable Interconnect Array (PIA)
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell
I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Macrocell
Macrocell
Macrocell I/O
I/O
I/O
Global Clock
EPLD blokkvázlata (Altera)
FPGA
![Page 34: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/34.jpg)
VLSI 34
PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)
CLB
CLB
CLB
CLB
SWITCHMATRIX
- Programozható
- Szomszédos cellák között fix
- Globális vonalak
- Long-range vonalak
FPGA
![Page 35: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/35.jpg)
VLSI 35
Config. dinamikus shift regiszterdi+1
Ci
Ci+1
1VCC VCC 2
di
16 / 1MUX
LUT out
Read4
0
15
Read outRAM out
Out
Configurationwrite in
VCC
4 / 16Címkóder Shift
Shift
0
15
QPro Virtex-II Triple function slice circuit
MUX
- LUT (1bit ROM)
- 16 bit RAM
- 16 bit Shift regiszter
Bit stream
4Write
4Read
RAM data in
Closedif not RAM
FPGA
![Page 36: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/36.jpg)
VLSI 36
Input/OutputBlokk
Szorzó áramkör
Órajel vezérlő
KonfigurálhatóLogikai Blokk
Globális órajelelosztó
Memory-hungry?
QPro Virtex-II Chip-architektúra
FPGA
![Page 37: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/37.jpg)
VLSI 37
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 szomszédos8 blokkhoz
3. 6.
2.1.Switch matrix
FPGA
![Page 38: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/38.jpg)
VLSI 38
ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem
n-adalékolt réteg
Poliszilicium vezeték
SiO2 szigetelőOxid-Nitrid-Oxid (ONO)ultravékony szigetelő
18VRnormal > 10 MΩ
Rátütött < 300Ω
FPGA
![Page 39: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/39.jpg)
VLSI 39
verticalcontrol
horizontalcontrol
logicmodul
unprogrammedantifuseshort-circuitedantifuse
F F1 2
F F F3 4 5
P1
P2 T1
segmentedhorizontaltracks T1: pass
transistor
vertical trackshorizontalcontrol
T2
row1
col3
Anfuse elemek programozása (átütése)
F1: row1=18V T2 on GNDF3: col3=18V T1 on GND
FPGA
![Page 40: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/40.jpg)
VLSI 40
System-on-Chip (SoC) áramkörök
Dual-portmemória
FPGA
8-bitesmikrocontroller
FPGA
![Page 41: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/41.jpg)
VLSI 41
Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör
cella I/Ocellák
HorizontálisSínek: 5 x 1 local+ 2 express
Vertikális sínek: 5 x1 local+2expr.
vezetékek a memória és C felé
32 x 4 bitmemória
Csatlakozásilehetőség h/v
Segment =4 x 4 cella
50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O.
I/O cellákLocal: 4cella, Expr:8 cella
FPGA
![Page 42: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/42.jpg)
VLSI 42
S
Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör
Cellák közti közvetlen kapcsolat
Kapcsolódási pontok
N
EW
SESW
NW NE
CellaCella
Cella
Express line
Local line
FPGA
![Page 43: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/43.jpg)
VLSI 43
SoC logikai blokk8x1
LOOK-UPTABLE
8x1LOOK-UP
TABLE
NW NE SE SW N E S W OGDG
D
QR CLK
NW NE SE SW N E S W
konfigurált multiplexer.(alapesetben "1" )
LB FBin
LB2
CEout
FPGA
![Page 44: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/44.jpg)
VLSI 44
3
Interruptok System controlÓrajel A/D konverter
Timer1
Timer 2
Watchdog
Perifériás int.
Soros interfész CPU RAM
Data EEPROM EPROM
Port A Port A Port APort A
Vcc,a
Vss,a
Interrupts XTAL ResetMód
Data ControlAddress high
Address low
RxTx
PWMEvent
PWMEvent
I/O
88 88
Analóg bemenetek
Vcc
Vss
8-bites microcontrollerblokksémája
Proc.
![Page 45: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/45.jpg)
VLSI 45
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 (I2C, CAN, USB)
• Extra szolgáltatások
Proc.
![Page 46: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/46.jpg)
VLSI 46
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.
![Page 47: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/47.jpg)
VLSI 47
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.
![Page 48: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/48.jpg)
VLSI 48
”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.
![Page 49: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/49.jpg)
VLSI 49
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.
![Page 50: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/50.jpg)
VLSI 50
”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.
![Page 51: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/51.jpg)
VLSI 51
SW Reset
Capture
PWM
16-bit capture/ compare reg.
compare
compare
16-bit capture/ compare reg.
16-bitszámláló
8-bit előszámláló
Eseménybemenet
Flag+Int.
Flag+Int.
Flag+Int.
Flag+Int.
OverflowExt. reset
Timer/Counter egységProc.
![Page 52: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/52.jpg)
VLSI 52
A/D átalakító blokksémája
Inputselect
Succesive Approximation ADC
VREF select
Data buffer
Sample start
Convert start
Ready
Digit. input
In0
In7
Flag+Int.
Proc.
![Page 53: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/53.jpg)
VLSI 53
Mintavétel start
Konverzió start
Adat→ buffer
Csatorna szelektálás
Kész?
Kész?
Cbe
Ux
RG Rbe
Átalakító
a) b)
Serial Communication Interface (SCI) folyamatábrája
Proc.
![Page 54: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/54.jpg)
VLSI 54
ADC SCI TIMER SPI Ext. INT
LEVEL 1
LEVEL 2
Interrupt prioritások kijelölése
Proc.
![Page 55: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/55.jpg)
VLSI 55
Input data
Output data
Pad
CLR
D
QLevel 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.
![Page 56: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/56.jpg)
VLSI 56
Mikrokontrolleres fejlesztés lépései 2.
Step-by-Step üzemmódTracing: kijelölt tárolók utólsó 1024 lépésben felvett értékének elmentéseReal-time Simulator: időzített interuptokReal-time hardware emulator: minden regiszter és memória-rekesz tárolásra kerül, visszaolvashatóC-compilerC-debugger
Proc.
![Page 57: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/57.jpg)
VLSI 57
ff f f f f ff
256 byte RAM címe
d
Utasítás kódja (opcode)
Harvard-struktúrájú mikroprocesszor16-bites szó-szerkezete
Adat iránya
Proc.
![Page 58: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/58.jpg)
VLSI 58
8
Program memória
RAM ALU
PC
Dekóder
Továbbiegységek
Harvard-struktúrájú mikroprocesszorblokkvázlata
Proc.
![Page 59: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/59.jpg)
VLSI 59
Digitális jelfeldolgozó processzor, DSP
-Harvard struktúra- komplex utasítások (pl. mpy, add és store- tömb-kezelés- nagy sebesség
Proc.
![Page 60: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/60.jpg)
VLSI 60
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 Strobe
0 1
t
Interface
![Page 61: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/61.jpg)
VLSI 61
0 1 2 3 4 5 6 7 8
START BIT
STOP BIT
LSB
Az RS-232 soros átviteli szabvány
Interface
![Page 62: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/62.jpg)
VLSI 62
START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP
Az I2C soros átviteli szabvány
Eszköz címe
Bytecíme
1. Adat byte
2. Adat byte
Automatikuscíminkrementálás
ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalatACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be
A0
A1
A2
GND
VCC
x
DATA
CLK
Interface
![Page 63: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/63.jpg)
VLSI 63
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, CO2, 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
![Page 64: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/64.jpg)
VLSI 64
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
![Page 65: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/65.jpg)
VLSI 65
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 1451.2 szabvány, 1997
Szenzorokintelligenciája
SENSOR
![Page 66: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/66.jpg)
VLSI 66
„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
![Page 67: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/67.jpg)
VLSI 67
Páciensen “hordott” szenzorok
RespirációÉrzékelős ruhák: ECG
Darázs ultrahangos adóval
Denevér antennával
Vezetéknélküli adatátvitel
SENSOR
![Page 68: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/68.jpg)
VLSI 68
Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák
Eltávolítottoxidréteg
Szilicium szubsztrát
Leválasztottpoliszilicium réteg
Szilicium szubsztrát
Marással eltávolítottalapkristály (üreg)
Cantilever
Cantilever
Felületi MEMS technológia Tömbi MEMS technológia
• igen kis méretek
• jól integrálható
viszonylag nagyobb méretek
- integrálhatóság ?
SENSOR
![Page 69: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/69.jpg)
VLSI 69
Ujjlenyomatok kapacitív érzékelésének elve
Cf
SiN
Kapacitás alsó fegyverzete
UjjbegySzigetelő lemez
Ujjlenyomat azonosításMechanika
![Page 70: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/70.jpg)
VLSI 70
Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
UKi
Cpar
Itöltő
Kapcsoló
Kiolvasó vonal
Másik fegyverzet = ujjbegy = GND
TFT tranzisztoros áramkör
Mechanika
![Page 71: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/71.jpg)
VLSI 71
Ujjlenyomat érzékelő/azonosító pixel áramköre
N pixelS pixelW pixelE pixel
Memória
Regiszter
Komparátor
Szenzor lemez
Érzékelő áramkör
Szelektor
User template
Kontroller
Szomszédos pixelek
Eredmény
Azonosításeredménye
Pixel processzáló áramkör
Mechanika
![Page 72: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/72.jpg)
VLSI 72
Sziliciumlapka
ellenállás
üreg
fém
Membrán
Kapacitív szenzor-háló
A klasszikus diszkrét nyomásmérő
NyomásmérésMechanika
![Page 73: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/73.jpg)
VLSI 73
Integrált nyomásérzékelő (Motorola)
68HC05 CPU Analóg
interface
SPI
4K EPROM
MEMSnyomás-mérő
RAM
CompBias
8-bitA/Dconv
Mechanika
![Page 74: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/74.jpg)
VLSI 74
Többcsatornás implantált nyomás-érzékelő
ImplantáltTitán csap4,5, H5,5mm
Pillér
Nyomásmérő
Rágó híd
Gumi
Csont
W. Claes, IEEE/SSC 37/3
Tok +akkumulátor 1,55V / 45mAh
Mechanika
![Page 75: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/75.jpg)
VLSI 75
Integrált protézis nyomás-érzékelő blokkvázlata
Érzékelőinterfész chip
RFKi/bemenet
Controller
RAMAdatprocesszor
Nyomás-értékek
Im+Icomp
VIm
RrefRny
PGR
R
nyomásPfaktorgaugeG
PGRIIV nycompm
,
Áram-meghajtású nyomásmérő híd
Mechanika
![Page 76: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/76.jpg)
VLSI 76
Nyomásmérő interface chip blokkvázlata
Referenciaáram
Mintavevőtartó
9-bit kapacitívSucc. Approx. A/D-átalakító
5-bites áram-memória
Áram-kompenz.5-bites D/A konv.
Multiplexer
2 kHz-es órajelés fázisjelek
18 db. külsőnyomás- mérő
Chopper-stab. erősítő
Kimenetek
Rref
0,7 m techn.4,6 x 5,2 mmItáp=0,7mA
Mechanika
![Page 77: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/77.jpg)
VLSI 77
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
![Page 78: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/78.jpg)
VLSI 78
Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás- pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként- a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság
100m
200m200m
Mechanika
![Page 79: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/79.jpg)
VLSI 79
V1
GND
GND
VDDVDD
VDD
VDD
V2
V3
V4
Változó (megnyomott)ellenállások
Referenciaellenállások
Lebegő híd
MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza
6 kivezetés/híd
Mechanika
![Page 80: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/80.jpg)
VLSI 80
Tapintásmérő jel-erősítőU1
VCC
VCC
Érzékelő
R1
R2RREF
RMÉRŐ
U2
helipot
Uk
dekóder
Sín
PAD
Tapintó-érzékelőa panelen
Mechanika
![Page 81: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/81.jpg)
VLSI 81
Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa
Fésű-elrendezésű aktuátor
Érzékelt mechanikai erőhatás
Áram érzékelésMeghajtófeszültség
Horgony
Mechanika
![Page 82: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/82.jpg)
VLSI 82
Ellentétes fázisúNégyszögjelgenerátor
Demodulátorés aluláteresztőszűrő
Buffererősítő
Kimenet Mozgóelektróda
Fixelektródák
Dinamikus visszacsatolás a mozdulatlanság biztosítására
3MΩ
ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája
Mechanika
![Page 83: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/83.jpg)
VLSI 83
Áramlásmérés (folyadékok, gázok) hőmérséklet-méréssel
Uki
R1 Rm=R2 R3
R1
R3
R2
Rm
Áramlással hűtött vékony-szálas hőmérő-ellenállás
Fűtés: Rm (Uki), műveleti erősítő szabályozza
R=T ; ha R2 » Rm, akkor IRm≈const., és T=IR2 Uki/
Áramlás
![Page 84: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/84.jpg)
VLSI 84
UG Referencia-elektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
Kémia
![Page 85: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/85.jpg)
VLSI 85
UG
Referenciaelektróda
SiO2
Folyadék-tér
n-drain
A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el
ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor
p-szilícium
n-source
US UD
csatorna
ion-szelektív áteresztő membrán
hydrogel
Kémia
![Page 86: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/86.jpg)
VLSI 86
Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő
p72
ReferenciaChemFET
ChemFET
Szelektívvédőburok
Mérendő gáz
Kémia
![Page 87: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/87.jpg)
VLSI 87
Multi-szenzoros elrendezés
Minimum 3 szerves anyag érzékelése
Szigeteletlen, lebegő gate
S1
S2
S3 D3
D2
D1
Ablak
Kémia
![Page 88: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/88.jpg)
VLSI 88
Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével
Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC
E2 mérőelektróda
Szigetelő membrán
p-szilícium szubsztrát
n-szilícium sziget
Hőmérséklet-érzékelő
Poliszilícium fűtőellenállás
Vastag-réteg film SnO2 ellenállás
E1 mérőelektróda
Kémia
![Page 89: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/89.jpg)
VLSI 89
Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal
Változó ellenállás
Kémia
![Page 90: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/90.jpg)
VLSI 90
Implantált neurális érzékelők nagyfrekvenciás (induktív) hozzáférése
Külső szenzor
Külső elektronika és telep
Adótekercs
Vizuális protézis
Többmenetesvevőtekercs
Elektródaarray
Vevőtekercs
Diszkrételemek
VLSIDEMUX chip
Polyimidtartólemez1,0 cm
Polyimid tartólemez
Space
Width
Elektróda array
VLSIDEMUX chip
(pl. vizuális protézis esetében)Neural
![Page 91: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/91.jpg)
VLSI 91
Nagyfrekvenciás (induktív) csatolás
12
210
4 r
dldlM
r12
Δ
db
a
dl2
dl2
x
r12
Δ
d b
a
dl2
dl2
x
Eltólt, és -szöggel elfordított vevőtekercs
Δ-távolsággal laterálisan eltólt vevőtekercs
0=4π .10-7 H/m vákuum permeabilitás
![Page 92: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/92.jpg)
VLSI 92
ABCNeural
![Page 93: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/93.jpg)
VLSI 93
A 32-csatornás „szita” érzékelő vázlata
Külső adótekercs
C-buffer C-hangoló
vevőtekercs
Külső adótekercs
Szilíciumszalagkábel
Szilícium szitaElektróda (MEMS)
Üveg tokozás
On-chipelektronika
C-tároló Adó
Controller
Elvágott és a szitán átnövő,regenerálódott idegszálak
Neural
![Page 94: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/94.jpg)
VLSI 94
A 32-csatornás „szita” érzékelő külső egysége
CLKÓrajel-generátor
Burkolódetektor
vevőtekercs
Adótekercs
Adó
Feszültség-szabályozó
Adat-kódolóMért jel
Vezérlőbemeneti jel
C-hang.
VDD
GND
Neural
![Page 95: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/95.jpg)
VLSI 95
3.3. A 32-csatornás „szita” érzékelő belső egysége
Áram-fesz.konv.
Power onreset
A/D konverter
Controller
Mért jel
VDD
GND
CLK
Vezérlő- jel
ElektródákCsatorna- szelektor
Előerős.
IREF
Előerős.
2:1 Analógmultiplexer
(Egyidejűleg két, tetszés szerint kiválasztott elektróda potenciálját méri)
Neural
![Page 96: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/96.jpg)
VLSI 96
A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja
1 10 0Start
Power up Write Read 16-bit digitalizált érték10-bit csatorna cím
Start 000 1
( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből)
Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P 90mW
Neural
![Page 97: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/97.jpg)
VLSI 97
Aktív 3D mikroelektróda elrendezés
Tű hossza: 1,2mm szélessége: 50m vastagsága: 12m 2 kontaktáló pont: iridium/titanium, 9 x 9m, egymástól 24m, hegytől 200m Tűk egymástól való távolsága: 200m, hálóban
(..az első in vivo 3D-es idegpotenciál mérés, tengeri malacokon)
3m-os CMOS techn.50m vastag lemez, „szárnyakkal” rögzítve, rajta 4 előerősítő (kísérlet) és 4/1 MUXKivezetések: Adat, CLK, RST, VDD,GND
Neural
![Page 98: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/98.jpg)
VLSI 98
A 3D-s mérőrendszer vázlata
4 db. előerősítő (?)4/1 multiplexer
Erősítő (6x)Mintavétel engedélyezésDemultiplexerErősítők (1000x)Aluláteresztő szűrőÓrajel generátor
CLK
Reset
VDD
Adat
GND
Aktív (elektrónikát tartalmazó) mérőtűs „próba”
Külső egység
Neural
![Page 99: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/99.jpg)
VLSI 99
A 32-pontos stimuláló rendszerhez kifejlesztett SoC chip blokksémája
Neural
![Page 100: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/100.jpg)
VLSI 100
A 32-pontos stimuláló rendszer belső chip-je
Feszültség-szabályzó
Vevő-áramkör
Referencia-generátor
EgyenirányítóRegiszter-tömb
Áram-meghajtók
Controller
Power on reset Visszirányúadatátvitel
DAC
Neural
![Page 101: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/101.jpg)
VLSI 101
Szilícium MEMS mérőtű
Átmérő: 25-50mMérhető terület: 100m2
Méréshatár: 20V-1mVSávszélesség: 10kHz
Stimuláló/mérő pontok
Kimenetiszalagkábelek
Hordozó lemez
Összekötővezetékek Jelfeldolgozó
áramkör
Neural
![Page 102: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/102.jpg)
VLSI 102
Feldolgozó áramkörrel egybeépített 8-tűs mérőrendszer
Neural
![Page 103: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/103.jpg)
VLSI 103
Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése
ASKdekóder
Clockrecovery
10bit A/D
Power onReset
Endekóder
RegiszterekControlLogika
Táp
OszcillátorKeverő
MUX
Aktívtransmit
E-oszt.meghajtó
4 MHz60 kb/s6-15V2 mW
250 ksample/s1,4mW / 3V
Neural
![Page 104: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/104.jpg)
VLSI 104
Rádiófrekvenciásan táplált SoC áramkörösretina implant
Micro konnektor kábel
Micro konnektor kábel
Video Kamera
Retina
Látóideg
Hermetikus lezárás
RF antenna
System on Chip(SoC) áramkör
Szemüveg
Neural
![Page 105: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/105.jpg)
VLSI 105
4 x 4-es beültetett retina elektróda felvétele
A flexibilis vezetőkkelellátott szalagbabeépítettplatina-elektródákmérete: 260m, vagy 520m átmérő
A chip mérete: 4 x 5 mm
„Az elektróda gerjesztia cellákat, de nem tudjuk,hányat…”
Neural
![Page 106: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/106.jpg)
VLSI 106
Atomic Force Mikroszkóp (AMF) érzékelő
PiezorezisztorCantilever vezetékekel
Hall-elem
Érzékelő tű
(0,2 nm=2 Angström)
Brook, J. Micromech. Microeng. 13/1
AMF
![Page 107: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/107.jpg)
VLSI 107
Anyag szerkezetének feltérképezése AFM (Atomic Force Microscope) segítségével atomi pontossággal.
Mérőtű
Felület
AMF
![Page 108: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/108.jpg)
VLSI 108
Tunnel-áram (piros körök között)
Rövidtávú erőhatás (sötétkék körök között)
Hosszútávú erőhatás
Teljes erő
Erő [nN]Áram [nA]
Atomi erőhatások és tunnel-áram AMF
![Page 109: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/109.jpg)
VLSI 109
Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve
AMF
![Page 110: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/110.jpg)
VLSI 110
4.1 House/3M típ. egysávos „transcutaneous” cochlea-implant vázlata
adófokozat
Implantált vevő
Mikrofon
Külső adórészElektródák
BőrBelső vevőrész
Külső tekercs
Belső tekercs
Sávszűrő340-2700 Hz
16 kHz-esmodulátor
Kimeneti erősítőErősítő
Jelfeldolgozó processzor
Demodulálás nincs
Cochlea
![Page 111: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/111.jpg)
VLSI 111
Vienna/3M tip. egysávos, amplitúdó-modulált „transcutaneous” cochlea-implant vázlata
AM adófokozat
AMimplantált vevő
Mikrofon
Külső adórészElektródák
BőrBelső vevőrész
Külső tekercs
Belső tekercs
Sávszűrő100-4000 Hz
Automatikus erősítésszabályozás (AGC)
Változtatható előerősítő
Jelfeldolgozó processzor
Cochlea
![Page 112: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/112.jpg)
VLSI 112
Compressed Analog (CA) többsávos, „transcutaneous” cochlea-implant vázlata
Mikrofon
Sávszűrő0,1 kHz - 0,7 kHz
Sávszűrő2,3 kHz - 5,0 kHz
Sávszűrő1,4 kHz - 2,3 kHz
Sávszűrő0,7 kHz - 1,4 kHz
1. Erősítő
2. Erősítő
3. Erősítő
4. Erősítő
1. Elektróda
2. Elektróda
3. Elektróda
4. Elektróda
Cochlea
![Page 113: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/113.jpg)
VLSI 113
Rt
Piezoelektromos kerámia
Ug
Adó Vevő
Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW)
mmsm
f
v
g
piezopiezo 1,0
1030
/31006
Hullámhossz:
Átvitt sáv függ:ujjak mérete, száma
30 MHz
Aktív réteggel bevont nyitott ablak
SAW
![Page 114: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/114.jpg)
VLSI 114
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 hordozóGázérzékelő bevonattal
SAW
![Page 115: Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7 .](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081504/5681454f550346895db220f7/html5/thumbnails/115.jpg)
VLSI 115
DNS azonosításDNS