mikroprogramozott vlsi áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7
DESCRIPTION
Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 200 7. Szenzor. Adatátvitel. Intelligens szenzor blokksémája. A/D átalakító. Jel elő-készítő. RF. Jelfeldolgozó Processzor. Adat memória. Program memória. Logika. Logikai rendszerek - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
VLSI 1
Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens
szenzorok, 2007.
VLSI 2
Intelligens szenzor blokksémája
Szenzor Jel elő-készítő
JelfeldolgozóProcesszor
A/Dátalakító
Adatmemória
Programmemória
Adatátvitel
RF
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
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
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
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
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
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
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
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
VLSI 11
Áramok kapacitív tárolása
+-
C
ITÁR
+U
-U
D/A conv
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
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….
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
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
VLSI 16
C
Uoffset
1
2
2
1
+U+
Uki
U
Chopper-stabilizált komparátor
Analóg
1
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
VLSI 18
K
Hibaképző éskompenzáló
Uki
Főerősítő
Ube
Chopper stabilizáltmellékerősítő
Chopper-stabilizált erősítőAnalóg
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
VLSI 20
On-chip thermosztát
IREFUSzab
Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda
„fűtő”-tranzisztor
Ifűtő
Differenciál-erősítő
Szabályzóáramkör
Faichild, 1964
Analóg
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
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
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
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
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
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
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
VLSI 28
ÉS mátrix
VAGY mátrix
Bemenetek Kimenetek
Mintermek
54321 xxxxxf
PLA áramkörök elvi elrendezése PLA
VLSI 29
A+B
A+B
A+B
VCC
Ai Bi
VCC
AB+ABAB+AB
R1
Statikus PLA áramkör PLA
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
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
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
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
VLSI 34
PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)
CLB
CLB
CLB
CLB
SWITCHMATRIX
- Programozható
- Szomszédos cellák között fix
- Globális vonalak
- Long-range vonalak
FPGA
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
VLSI 36
Input/OutputBlokk
Szorzó áramkör
Órajel vezérlő
KonfigurálhatóLogikai Blokk
Globális órajelelosztó
Memory-hungry?
QPro Virtex-II Chip-architektúra
FPGA
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
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
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
VLSI 40
System-on-Chip (SoC) áramkörök
Dual-portmemória
FPGA
8-bitesmikrocontroller
FPGA
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
VLSI 54
ADC SCI TIMER SPI Ext. INT
LEVEL 1
LEVEL 2
Interrupt prioritások kijelölése
Proc.
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.
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.
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.
VLSI 58
8
Program memória
RAM ALU
PC
Dekóder
Továbbiegységek
Harvard-struktúrájú mikroprocesszorblokkvázlata
Proc.
VLSI 59
Digitális jelfeldolgozó processzor, DSP
-Harvard struktúra- komplex utasítások (pl. mpy, add és store- tömb-kezelés- nagy sebesség
Proc.
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
VLSI 61
0 1 2 3 4 5 6 7 8
START BIT
STOP BIT
LSB
Az RS-232 soros átviteli szabvány
Interface
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
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
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
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
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
VLSI 67
Páciensen “hordott” szenzorok
RespirációÉrzékelős ruhák: ECG
Darázs ultrahangos adóval
Denevér antennával
Vezetéknélküli adatátvitel
SENSOR
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
VLSI 69
Ujjlenyomatok kapacitív érzékelésének elve
Cf
SiN
Kapacitás alsó fegyverzete
UjjbegySzigetelő lemez
Ujjlenyomat azonosításMechanika
VLSI 70
Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
Érzékelőlemez
UKi
Cpar
Itöltő
Kapcsoló
Kiolvasó vonal
Másik fegyverzet = ujjbegy = GND
TFT tranzisztoros áramkör
Mechanika
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
VLSI 72
Sziliciumlapka
ellenállás
üreg
fém
Membrán
Kapacitív szenzor-háló
A klasszikus diszkrét nyomásmérő
NyomásmérésMechanika
VLSI 73
Integrált nyomásérzékelő (Motorola)
68HC05 CPU Analóg
interface
SPI
4K EPROM
MEMSnyomás-mérő
RAM
CompBias
8-bitA/Dconv
Mechanika
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
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
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
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
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
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
VLSI 80
Tapintásmérő jel-erősítőU1
VCC
VCC
Érzékelő
R1
R2RREF
RMÉRŐ
U2
helipot
Uk
dekóder
Sín
PAD
Tapintó-érzékelőa panelen
Mechanika
VLSI 81
Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa
Fésű-elrendezésű aktuátor
Érzékelt mechanikai erőhatás
Áram érzékelésMeghajtófeszültség
Horgony
Mechanika
VLSI 82
Ellentétes fázisúNégyszögjelgenerátor
Demodulátorés aluláteresztőszűrő
Buffererősítő
Kimenet Mozgóelektróda
Fixelektródák
Dinamikus visszacsatolás a mozdulatlanság biztosítására
3MΩ
ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája
Mechanika
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
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
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
VLSI 86
Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő
p72
ReferenciaChemFET
ChemFET
Szelektívvédőburok
Mérendő gáz
Kémia
VLSI 87
Multi-szenzoros elrendezés
Minimum 3 szerves anyag érzékelése
Szigeteletlen, lebegő gate
S1
S2
S3 D3
D2
D1
Ablak
Kémia
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
VLSI 89
Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal
Változó ellenállás
Kémia
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
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
VLSI 92
ABCNeural
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
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
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
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
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
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
VLSI 99
A 32-pontos stimuláló rendszerhez kifejlesztett SoC chip blokksémája
Neural
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
VLSI 101
Szilícium MEMS mérőtű
Átmérő: 25-50mMérhető terület: 100m2
Méréshatár: 20V-1mVSávszélesség: 10kHz
Stimuláló/mérő pontok
Kimenetiszalagkábelek
Hordozó lemez
Összekötővezetékek Jelfeldolgozó
áramkör
Neural
VLSI 102
Feldolgozó áramkörrel egybeépített 8-tűs mérőrendszer
Neural
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
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
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
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
VLSI 107
Anyag szerkezetének feltérképezése AFM (Atomic Force Microscope) segítségével atomi pontossággal.
Mérőtű
Felület
AMF
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
VLSI 109
Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve
AMF
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
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
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
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
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
VLSI 115
DNS azonosításDNS