VLSI 1

Szenzorok főbb típusai

- piezo ellenállás ill. feszültség

- kapacitív

- optoelektronikus

- mágneses

- mikrohullámú (radar)

- lézer

- akusztikus ill. ultrahangos

SENSOR

VLSI 2

Előállítási technológiák

- Hagyományos, diszkrét elemekből

- szilicium planar, System-on-Chip (SoC)

- MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)

- vékonyréteg techn.

- vastagréteg techn.

- mikrohullámú, optikai, stb.

SENSOR

VLSI 3

Intelligens szenzor blokksémája

Szenzor Jel elő-készítő

JelfeldolgozóProcesszor

A/Dátalakító

Adatmemória

Programmemória

Adatátvitel

RF

VLSI 4

- kompenzálás, kalibrálás

- analóg-digitál átalakítás

- jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés

- tárolás

- adatátvitel

- programozhatóság, adaptivitás, öntanulás

- Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test)

Szenzorok intelligenciája

SENSOR

VLSI 5

- szakaszos (sleep) üzemmód- optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek)-rádiófrekvenciás átvitel …távolságok ...?

Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás

SENSOR

VLSI 6

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

VLSI 7

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

VLSI 8

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

VLSI 9

Tapintásmérő jel-erősítőU1

VCC

VCC

Érzékelő

R1

R2RREF

RMÉRŐ

U2

helipot

Uk

dekóder

Sín

PAD

Tapintó-érzékelőa panelen

Mechanika

VLSI 10

MOS kapacitív érzékelő

polymer

Mérési pont

Polymer-kapacitás (veszteséges)Oxid-kapacitás

SiO2

n-szilícium

GND

fémcsíkok

VLSI 11

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

VLSI 12

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

VLSI 13

Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő

p72

ReferenciaChemFET

ChemFET

Szelektívvédőburok

Mérendő gáz

Kémia

VLSI 14

Multi-szenzoros elrendezés

Minimum 3 szerves anyag érzékelése

Szigeteletlen, lebegő gate

S1

S2

S3 D3

D2

D1

Ablak

Kémia

VLSI 15

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

VLSI 16

Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal

Változó ellenállás

Kémia

VLSI 17

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

VLSI 18

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

VLSI 19

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

VLSI 20

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

VLSI 21

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

VLSI 22

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

VLSI 23

K

Hibaképző éskompenzáló

Uki

Főerősítő

Ube

Chopper stabilizáltmellékerősítő

Chopper-stabilizált erősítőAnalóg

VLSI 24

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

VLSI 25

On-chip thermosztát

IREFUSzab

Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda

„fűtő”-tranzisztor

Ifűtő

Differenciál-erősítő

Szabályzóáramkör

Faichild, 1964

Analóg

VLSI 26

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

VLSI 27

Áramok kapacitív tárolása

+-

C

ITÁR

+U

-U

D/A conv

VLSI 28

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

VLSI 29

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….

VLSI 30

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

VLSI 31

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

VLSI 32

Programozott áramkörök programtároló elemei

• Statikus flip-flop

• EEPROM/FLASH

• Antifuse

Q

n

pp

n

VCC

Tunnel

Drain

Control Gate

Source

Floating

Szigetelő

FPGA

VLSI 33

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

VLSI 34

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

VLSI 35

PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)

CLB

CLB

CLB

CLB

SWITCHMATRIX

- Programozható

- Szomszédos cellák között fix

- Globális vonalak

- Long-range vonalak

FPGA

VLSI 36

ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem

n-adalékolt réteg

Poliszilicium vezeték

SiO2 szigetelőOxid-Nitrid-Oxid (ONO)ultravékony szigetelő

18VRnormal > 10 MΩ

Rátütött < 300Ω

FPGA

VLSI 37

System-on-Chip (SoC) áramkörök

Dual-portmemória

FPGA

8-bitesmikrocontroller

FPGA

VLSI 38

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

VLSI 39

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

VLSI 40

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.

VLSI 41

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.

VLSI 42

”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.

VLSI 43

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.

VLSI 44

0 1 2 3 4 5 6 7

START BIT

STOP BIT

LSB

Az RS-232 soros átviteli szabvány

Interface

Mintavétel 33% és 66%-nál