MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 VLSI áramkörök: memóriák, AD/DA átalakítók http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/20-vlsi-aramkorok.ppt http://www.eet.bme.hu

Memóriák 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 2

Amikor még minden bit látszott... 4096 bites ferritgyűrűs memóriamodul (1960-as évek) kb 10 cm 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 3

Egy EPROM 1986-ból: UV fénnyel törölhető kb. 0.5cm Bár ez csak 32kbit-es, az egyes biteket már nem látjuk, csak optikai mikroszkóppal 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 4

Félvezető memóriák Legismertebb írhatóság: ROM RAM {read only memory} {random access memory} Információtárolás időtartama szerint: illékony {volatile} a tápfeszültség lekapcsolásakor a beírt információ elvész (RAM) nem illékony {nonvolatile} (NVRAM, az összes ROM) Kiolvasás hatása szerint: destruktív : kiolvasáskor az éppen olvasott információ elvész, tehát vissza kell írni (DRAM) nem destruktív (ROM-ok) 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 8

Memóriák jellegzetes szervezése: cella: 1 bit információt tárol vízszintes vezetékek: szóvezeték a cellamátrix valamelyik sorának kijelölése függőleges vezetékek: bitvezeték ezen keresztül lehet a kijelölt sor celláit írni vagy olvasni cellamátrix cím Chip a szóvezetékeket mindig egy dekóder hajtja meg, a bitvezetékekhez csatlakozó áramkör az író/olvasó erősítő, ami a kiolvasás során multiplexerként működik A 5 A 4 A 3 Dekóder Bitvezetékek szóvezetékek multiplexer A 2 A 1 A 0 cím cella cellamátrix D 0 adat 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 9

ROM jellegű memóriák áttekintése Maszk programozott ROM PROM EPROM EEPROM vagy E 2 PROM 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 12

Maszk programozott ROM Ez az "igazi" ROM Gyártáskor kerül bele az információ Nagyon nagy sorozatú gyártásnál, ill. egyéb chipeken, pl. mikroprocesz-szorban look-up táblázatok készülnek így. cím dekóder V dd Az információt az tárolja, hogy az adott helyen van-e tranzisztor, vagy sem. Minden oszlop egy NOR kapu (a p tranzisztor passzív terhelés) egy szóvezeték megcímzésekor ha van a szó és a bitvonal között tranzisztor, a kimenet alacsony szintű, egyébként logikai 1. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 13

Maszk programozott ROM Vázlatos layout 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 14

MOS NOR ROM layout WL(0) WL(1) Metal1 on top of diffusion GND (diffusion) Basic cell 10λ x 7 λ WL(2) WL(3) Metal1 Csak egy maszk (kontaktusok) határozza meg a tartalmat. BL(0) BL(1) BL(2) BL(3) A ROM programozása a gyártás utolsó lépéseinek egyikében történik. IC tervezőrendszerben: ROM generátor Bemenet: szavak száma, bit/szó, tartalom (personality file) GENERÁLT MEGACELLA Polysilicon GND (diffusion) 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 15

Egy NOR ROM tranziens modellje PÉLDA poly WL precharge r word metal1 BL C bit c word Szóvezeték parazitái Ellenállás/cella: 35Ω Vezeték kapacitás/cella: 0.65 ff Gate kapacitás/cell: 5.10 ff Bitvezeték parazitási Ellenállás/cella: 0.15Ω Vezeték kapacitás/cella: 0.83 ff Drain kapacitás/cella: 2.60 ff 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 16

Felhasználó által programozható ROM Programozható ROM == PROM Típus Techn. Programozás Törlés PROM Bipoláris elektronikus, - CMOS egyszer EPROM CMOS elektronikus, UV fénnyel OTP CMOS elektronikus, - EPROM egyszer EEPROM CMOS elektronikus Elektronikusan byteonként Flash EEPROM CMOS elektronikus Elektronikusan egyszerre 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 17

PROM: a bitvezeték aktiválásakor áram folyik, ha a biztosíték nincs kiégetve ki 0 ki 1 Az információbeírás egy fémből készült biztosíték, "fuse" kiégetésével történik. A biztosíték anyaga NiCr, Ti, W, Pt szilicid, a kiégetéshez 5-20mA, 10..15V kell (lásd pl. telefonkártya ) általában bipoláris technológiával készülnek 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 18

PROM alkalmazás: PLA-k ROM-ja Lehetséges módszerek összeköttetésekre: 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 19

PROM CMOS technológiával CMOS PROM-okban az "antifuse" technológiát alkalmazzák PLICE : {Programmable Low Impedance Circuit Element} kisméretű 1.2μm 1.2μm alkatrész. Antifuse akkor vezet ha kiégetjük, egyébként szakadás 1.2μm n + poli Si ONO Az n+ diffúzió és a n+ poli-si között egy vékony, 10nm-es dielektrikum (oxid-nitrogén-oxid) SiO 2 SiO 2 n + diffúzió Kb. 16V, 5mA 1ns alatt megolvasztja és vezetni kezd. Élettartam: kb. 40 év, 125 C 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 20

EPROM Elektronikusan programozható, UV fénnyel törölhető Keresztmetszete: poli Si gate S G poli Si lebegő gate D Az információtároló elem: egy ún. FAMOS tranzisztor {Floating gate Avalanche MOS} A cella felépítése: n + n + V DD p szubsztrát szóvonal bitvonal 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 21

EPROM programozás A source-t földeljük, a gate-re és a drain-re nagy pozitív feszültséget kapcsolunk (kb. 25V) lavinaletörés a csatornában a nagy energiájú elektronok átjutnak az oxid potenciálgátján (3.2eV) és a lebegő elektródára kerülnek Programozás 0V +V DD e - e - e - e - e - e - n + n + p szubsztrát +V DD A nagy feszültség hatására a lebegő elektródán a negatív töltés évekig megmarad (10 évet garantálnak a gyártók általában) a tranzisztor küszöbfeszültsége megnövekszik, és akkor sem nyit ki, ha a gate-re tápfeszültséget kapcsolunk. Programozás nélkül az eszköz úgy viselkedik, mint egy közönséges MOS tranzisztor. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 22

EPROM törlés Az EPROM tok tetején egy átlátszó ablakot alakítanak ki nagy energiájú UV fénnyel a lebegő elektródáról eltávolíthatjuk az elektronokat (kb. 20 perc) Törlés e - e - e - e - e - e - n + p szubsztrát n + OTP EPROM: nem törölhető, mert nincs ablak a tokozás egyszerűbb (olcsóbb) 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 23

EEPROM (E 2 PROM) Elektromosan programozható és törölhető Egy cella 2 tranzisztorból áll, egy kiválasztó és egy speciális lebegő gate-es tranzisztorból. A FAMOS tranzisztortól abban tér el, hogy a gate a drain fölé nyúlik, a lebegő gate-et a draintől egy vékony, 5..10nm-es oxid választja el Az elektronok ezen az ultravékony oxidon keresztüljuthatnak (alagútjelenség, tunnel hatás) 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 24

EEPROM 2 Programozás: A gate -et földeljük, a drainre nagy pozitív feszültséget adunk. Az elektronok a lebegő gate-ről a drain felé "tunneleznek", a lebegő gate pozitív töltésűvé válik, a tranzisztor állandóan vezet. Törlés: pozitív feszültség a gate-re és a draint földeljük. Ellenkező irányú tunneláram indul a lebegő gate felé az negatív töltésűvé válik, és a tranzisztor kikapcsolt állapotban marad. A vezérlő gate-t csak programozáskor használjuk, kiolvasáshoz kell egy másik tranzisztor. Élettartam: kb. 10év, 10 5 programozás - törlés ciklus. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 25

EEPROM 3: MNOS tranzisztor Más megoldás a tároló elemre: MNOS tranzisztor (Metal, Nitride, Oxide, Semiconductor) A szilícium és a nitridréteg között egy vékony, kb. kb. 5nm oxid van. Az oxid és a nitrid határfelülete töltéscsapdákat tartalmaz. Programozás: A source és drain elektródákat földeljük, a gate-re nagy pozitív feszültséget kapcsolunk (15-25V) Elektronok tunneleznek át a vékony oxidon, és csapdába esnek a 2 réteg határfelületén A negatív töltés miatt a tranzisztor kikapcsolt állapotban marad. Törlés: nagy negatív feszültséggel, hasonlóan. Szintén szükség van egy kiolvasó tranzisztorra, ezért egy cella két tranzisztort tartalmaz, a helyszükséglet nagyobb, mint az EPROMé. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 26

EEPROM 4: az ún. flash EEPROM A két tranzisztoros EEPROM cellát egy különleges tranzisztor helyettesíti, így a sűrűség összemérhető az EPROM sűrűséggel Programozás: mint az EPROM cellánál, lavinaletöréssel Törlés: mint az EEPROM-nál, tunnelezéssel 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 27

RAM-ok Áttekintés 6 tranzisztoros SRAM cella 1 tranzisztoros DRAM cella 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 28

RAM-ok A memóriák sebessége nem tud lépést tartani a processzorok gyorsaságának növekedésével Csökkenteni kell az elérési időt architekturális megoldások System on chip: embedded memories memória bankok sávszélesség növelés 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 29

Különböző memóriák alkalmazása Adott szinten annyi memórát célszerű biztosítani, amennyit csak lehet, a lehető legolcsóbban a lehető leggyorsabb hozzáférési idővel Optimalizálás rendszertervezési szinten: cache vs. DRAM On-Chip Components Control edram Datapath RegFile ITLB DTLB Instr Data Cache Cache Second Level Cache (SRAM) Main Memory (DRAM) Speed (ns):.1 s 1 s 10 s 100 s Size (bytes): 100 s K s 10K s M s Cost: highest lowest 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 30

Írható/olvasható memórák (RAM-ok) Statikus RAM SRAM amíg a tápfeszültség be van kapcsolva, tárolja az információt nagyok a cellák (6 tranzisztor/cella), így a chip-ek bitsűrűsége kisebb gyorsak ott használják, ahol kritikus a sebesség (pl. gyorsító tárak cache) differenciális kimenet: a BL bitvonal és negáltja (!BL) CMOS kompatibilis Dinamikus RAM DRAM állandó, periódikus frissítést igényelnek kicsi cellák (1.. 3 tranzisztor/cella) nagy bitsűrűség lassabbak, processzoron kívüli operatív tár kiolvasó erősítő kell az adathozzáféréshez jellemzően nem CMOS kompatibilis 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 31

Statikus RAM: SRAM Statikus RAM: a beírt információ a tápfeszültség eltűnéséig megmarad. Minden egyes cella egy kétállapotú áramkör, ez tárolja az információt. 6 tranzisztorból áll. Az információt a 2 keresztbe csatolt CMOS inverter tárolja, aminek 2 stabil állapota van (flip-flop) A beírás, kiolvasás a 2 transzfer kapun keresztül történik 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 32

6 tranzisztoros SRAM cella layoutja V DD M2 M4 Q Q M1 M3 M5 M6 GND WL BL BL 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 33

Dinamikus RAM: DRAM Dinamikus RAM: egy cella egy tranzisztorból és egy kapacitásból áll. Azonos felületen kb. 4x sűrűbb, mint a statikus RAM Az információt a C s kapacitás tárolja, amit az M1 tranzisztor kapcsol rá a bitvonalra. A C s kapacitás kb. 30..60fF. Speciális konstrukció, pl. trench kapacitás: mélyen a chip-be bevágott árokban alakítják ki a kondenzátort 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 34

Dinamikus RAM: DRAM MEGVALÓSÍTÁS: Mindkét struktúra függőleges, így minimalizálva a Si- területet. A) árokkapacitás (trench kapacitás): A szilíciumba árkot marnak, aminek a falát oxid fedi. Ebbe kerül a poli-si. B ) stack kapacitás: a fegyverzeteket vékonyoxid szigeteli el. A kapacitás növelése több réteggel lehetséges. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 35

Dinamikus RAM: DRAM Reaktív ionmarással készül (RIE) 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 36

Dinamikus RAM: DRAM 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 37

DRAM Írás: a szóvonalat V DD -re kapcsolva a bitvonal szinttől függően vagy kisüti a kapacitást (LOW), vagy V DD V T -re (HIGH) tölti fel. Kiolvasás: a szóvonal aktivizálásakor a bitvonalra kapcsoljuk a C S kapacitást. A bitvonal saját kapacitása nagyobb, mint a tároló kapacitás, így töltésmegoszlás történik ΔU L = C S CS + C L U C 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 38

DRAM PÉLDA Legyen C L = 20 C S, V DD =3.3V, V T =0.7V Ekkor a C S kapacitás "1" szintje V DD -V T = 2.6V lesz. A bitvonal feszültségváltozása ennek 21-ed része, azaz kb. 120mV Az érzékelő erősítőnek tehát ezt kell helyreállítani. A kiolvasás destruktív, tehát kiolvasás után mindenképpen frissíteni kell. ΔU L = C S CS + C L U C 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 39

DRAM frissítés C S -ből a töltés lassan elszivárog frissíteni kell (a cellákat rendszeresen kiolvasni és visszaírni) Frissíteni általában 2..4 ms-ként kell egyszerre 1 sort frissítenek, ennek t RC ideje kb. 100-200ns Burst refresh: az összes sort egyszerre frissítik. Distributed (hidden) refresh: van egy számláló, ami nyilvántartja az utolsó frissített sort, és mindig a soron következő kerül frissítésre. 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 40

Megbízhatóság, kihozatal A félvezető memóriáknál a legfontosabb a sűrűség és a sebesség, egyéb paramétereknél kompromisszumokat hoznak Ezért nagyon érzékenyek a zajokra (áthallás cross talk, supply noise) A nagy sűrűség és a nagy chip méret kihozatali problémákat okoz Yield = 100 # of good chips/wafer # of chips/wafer Kihozatal javítása: hibajavítás redundancia 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 43

Kihozatal Kihozatali görbék egy technológia különböző érettségi fokán 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 44

Redundáns architektúra Fuse bank Redundant row Row address Column address Redundant columns Speciális RAM tesztelő eljárásokat és hibajavító stratégiákat alkalmaznak Lézeres megmunkálással vágnak át vezetéket, így cserélik le a hibás sorokat/oszlopokat 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 45

DRAM-ok gondja: α részecskék Az alfa részecskék hatása: Egy becsapodó alfa részecske 1-2 millió elektront képes kelteni, és ez megváltoztathatja a kapacitás töltését. Ezért védőfóliával (pl. poliimid) fedik a DRAM chipeket. WL BL α-particle V DD n + SiO 2 1 particle ~ 1 million carriers 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 46

Jellemző paraméterek ROM Hozzáférési idő Programozás Maszk CMOS ROM 100..150ns CMOS EPROM 100..200ns 12..13V Flash EEPROM 80..100ns 12V RAM CMOS SRAM BiCMOS SRAM bipoláris ECL DRAM Hozzáférési idő 12..15ns 6..10ns 3..6ns 50..70ns 2008-12-1 VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 47

AD/DA átalakítók Az IC megvalósítás aspektusai VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 48

AD, DA átalakítás helye Digitális jelfeldolgozás lépései 49

HiFi berendezések D/A,A/D paraméterei Audio D/A konverter: 192kHz / 24bit Audio A/D konverter: 96kHz / 24 bit Audio CD 44kHz / 16bit DVD-Audio (max) 192kHz / 24bit (2.0 csatorna) 96kHz / 24bit (5.1 csatorna) DVD-Video LPCM, MPEG2, Dolby Digital 48(96)kHz / 16(24)bit 50

DVD lejátszók D/A pareméterei Video D/A átalakító: 12bit / 108MHz Audio D/A átalakító: 24bit / 96kHz Video D/A konverter: 12bit / 108MHz Audio D/A konverter: 24 bit / 192kHz Video D/A átalakító: 12bit / 216MHz Audio D/A átalakító: 24bit / 192kHz BluRay Audio D/A: 24bit / 192kHz 51

Vezetéknélküli szenzorok A/D átalakítói Szükséges az alacsony fogyasztás, alacsony tápfeszültségről való működés (környezeti energia hasznosítása) Napenergia, szélenergia, elemes működés, Peltier elemes megoldások RF tápellátás kérdése Emiatt, nagysebességű áramkörök alkalmazása kerülendő Szakaszos működés 52

Vezetéknélküli szenzorok A/D átalakítói Alacsony tápfeszültség miatt az áramkörben lévő feszültségszintek illetve maximális feszültség értékek adottak Ez behatárolja az érzékelhető tartományt Általában azonban kis amplitúdójú, de zajjal terhelt jelek érzékelése és mintavételezése, ezért fontos a jó felbontás (kb. 0.5 1mV közötti a legkisebb érzékelhető változás) 53

Kutatási téma az EET-n Bőr alá ültethető érzékelő chip kialakítása, mely különböző fiziológiai jel érzékelésére képes Mért adatok digitálisan, vezeték-nélküli kommunikációval juttatva el a központi egységhez Rendkívül alacsony tápfeszültségről működés (maximum 1.12V ~ Band-Gap) Alacsony működési sebesség (Adiabatikus töltés ) Nagy felbontású A/D, nagy meredekségű Csebisev szűrők, Sample&Hold áramkörök, OpAmp tervezése 54

A/D átalakítók lehetséges hibái Linearitási hiba: ideális esetben az A/D átalakítók karakterisztikája lineáris,azaz lineárisan növekvő bemeneti feszültség esetén az A/D átalakítóhoz csatlakoztatott D/A átalakító kimenetén egyenletes lépcsőzésű jel jelenik meg. 55

A/D átalakítók lehetséges hibái Az egyenletes lépcsőzéstől való eltérés az abszolút nem linearitás, az ideális karakterisztikától való két mintavételi érték közötti eltérés pedig a differenciális nem linearitás. 56

D/A átalakítók lehetséges hibái 57

D/A átalakítók hibái Statikus hiba: Linearitás-hiba. Ha a linearitás hibája az 1/2 U LSB -t túllépi, akkor a szolgáltatott függvény nem lesz monoton 58

D/A átalakítók hibái Dinamikus hiba: nagyszámú kapcsoló elem van a D/A átalakítókban. Amikor a kódban sok bit változik egyszerre, pl. 2 n -2 n -1 váltás, tüskék (glitch) kerülnek a kimenetre. A tüskék hatását a kimeneten egy mintavevő és tartó áramkörrel lehet kiküszöbölni 59

AD átalakítók Az IC megvalósítás aspektusai VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 60

A/D átalakítók (főbb) típusai I. Fokozatos közelítésen alapuló A/D (Szukcesszív approximációs) II. Egylépéses A/D (Flash) 61

Fokozatos közelítésű A/D A/D és D/A átalakítókban alkalmazott 8 bites kapacitív háló 2 C 0 8 C 0 32 C 0 128 C 0 C 0 C 0 4 C 0 16 C 0 64 C 0 62

Fokozatos közelítésű A/D A/D és D/A átalakítókban alkalmazott kapacitív háló elrendezése 63

Fokozatos közelítésű A/D Működés alapja Valamilyen egylépéses D/A átalakító jelét hasonlítjuk össze a bemeneti analóg jellel. Először megállapítjuk, hogy a bemeneti jel nagyobb vagy kisebb a referencia jel felénél Majd megvizsgáljuk, hogy a kapott fél-tartomány melyik felébe (azaz melyik negyedben van) egészen addig míg meg nem határozzuk a legkisebb értéket A bemeneti jel így viszonylag kevés lépéssel behatárolható A végrehajtott lépések száma arányos a felbontással Nagyon elterjedt 64

Fokozatos közelítésű A/D Felépítés Kis offszetű, nagy érzékenységű komparátor K v C-Háló U x K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref 65

Fokozatos közelítésű A/D I. Mintavétel fázis K v U x C-Háló K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref 66

Fokozatos közelítésű A/D II. Tartás fázis K v U x C-Háló K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref 67

Fokozatos közelítésű A/D III. Újraelosztás fázis 1. K v U x C-Háló K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref U U X = U be + 2 ref 68

Kapacitív osztás 2 C 0 8 C 0 32 C 0 128 C 0 -U be C 0 U ref C 0 U x 128 C 0 =C 1 4 C 0 x = U = U -U be (1+2+ +64+1) C 0 =C 2 U ref ref 1 C2 C1 + C C C 1 16 C 0 1 jωc2 1 1 + jωc jωc 2 2 1 U be 2 = U U ref 64 C 0 be 1 C = U 2 ref C C 1 1 1 jω 1 jω C2 + C 2 U ref 1 C 1 C 1 U be + 2 1 C 2 = U U ref be C1 C + C 1 = 2 U be 69

Fokozatos közelítésű A/D Ha U x < 0, akkor U be <U ref / 2, azaz MSB 0, K 7 vissza földre Ha U x > 0, akkor U be >U ref / 2, azaz MSB 1, K 7 U ref marad K v C-Háló U x K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref U U X = U be + 2 ref 70

Fokozatos közelítésű A/D III. Újraelosztás fázis 1. K v U x C-Háló K 0 K 1 K 7 C 0 SAR U be K be U ref U U X = U + 4 ( 1) ref x 71

Fokozatos közelítésű A/D Előnyei fogyasztás szempontból előnyös, mert keresztirányú (statikus) áram nem folyik Nem kell a kapacitásokat állandóan kisütni és feltölteni, egyszer feltöltöttük és kész Átalakítás, azonban időigényes, ezért sebességkritikus alkalmazásoknál nem használandó (általában hangfrekvenciás eszközökben alkalmazzák) Integrált áramkörökben a kapacitásokat az egységnyi kapacitásból kell megvalósítani (technológiai szórások, arányok nagyon pontosan beállíthatóak) 72

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Tervezéskor egy adott technológiára tervezek Kérdés, a megkapott technológiai adatok mennyire pontosak, illetve mit lehet tenni a technológiai szórásokkal (scattering)? Megoldás Utólagos kalibráció lehetősége Cél: kihozatal növelése 73

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Kalibrálás FUSE (biztosíték) alkalmazásával Egyszer kiégetik többé nem változtatható C max C cal 2 C cal R R PAD PAD 74

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Kalibrálás Lézer segítségével Itt is egyszer elvágják a vezetéket, többé nem változtatható C max C cal 2 C cal Üvegablak 75

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Kalibrálás EPROM használatával Korszerű Tokozás előtt a gyárban kell felprogramozni C max C cal 2 C cal 4 C cal 76

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Kalibrálás SRAM segítségével Módosítható, dinamikusan akár működésközben is átírható C max C cal 2 C cal 4 C cal Statikus RAM FF 77

A/D átalakítók kalibrálása / hitelesítése Kalibrálás Digitális áramkör alkalmazásával A kijövő digitális jelet konverzió alá vetjük EPROM-ban tárolva előzetes hitelesítésből származó adatok, de működés szüneteiben újra programozható (Error Correction Memory) A/D kimeneti jele Konverziós logika Konvertált kimeneti jel EEPROM SRAM 78

Egylépéses A/D átalakítók Működés alapja A bemeneti feszültség összehasonlítása egy a referenciafeszültségre kötött ellenállás-lánc közbenső pontjaival történik Nagyon sok elem szükséges a felépítéséhez Általános esetben N bit esetében, 2 N darab ellenállás és 2 N darab komparátor szükséges, így nagy a helyigénye Inkább kisfelbontású változatai használatosak Gyors, hiszen a konverzió egy lépésben történik (akár GHz működési tartomány) Nagy statikus áramfelvétel 79

Egylépéses A/D átalakítók Klasszikus egylépéses Flash A/D konverter 0 Thermometer A komparátorok kiemeneti 1 értéke, olyan mint hőmérő higanyszála 0 0 1 1 1 1 1 Ellenállások (pontosabban arányok) megvalósítása integrált áramköri technológián 80

Egylépéses A/D átalakítók Cél: kevesebb ellenállással megvalósítani hasonló felbontást azaz az ellenállások számának növekedése nélkül finomítani az átalakító felbontását Alapötlet: komparátorok helyett használjunk műveleti erősítőket, így nem csak azt tudjuk, hogy kisebb/nagyobb adott értéknél, hanem azt is, hogy kb. hol helyezkedik el a két érték között a bemeneti jel E módszer alkalmazásával növekszik a műveleti erősítők száma, így nő a fogyasztás is Megoldás lehet, ugyanazon műveleti erősítős blokkok alkalmazása, multiplexerrel 81

Szigma-Delta A/D átalakítók Leggyakrabban használt típus Nevezéktan: Szigma minden lépésben integrálást végez Delta minden lépésben a bemeneti függvényből kivonjuk a szummázott értéktől függő értéket Túl-mintavételezett oversampled elnevezést is használják 82

Szigma-Delta A/D átalakítók U be jelből kivonva D/A konverter jele (D i =1 esetén f i =U REF, D i =0 esetén f i =0) f i 83

Szigma-Delta A/D átalakítók A kivonással kapott jelet az integrátor hozzáadja a korábbi U i összeghez f i 84

Szigma-Delta A/D átalakítók Az előjeltől függően adja meg a komparátor a D i jelet U i+1 = U be f i + U i f i 85

Szigma-Delta A/D átalakítók Amíg U be állandó értéken tartva, addig nagyon sokszor zajlik le ez a folyamat, így hosszú d i bitsorozat képződik n számú kivonást és komparálást végezve, U be =U ref (n 1 /n), ahol n 1 az egyes értékű bitek száma Ciklusszám növelésével fokozatosan közelíti a felvett értéket 86

Szigma-Delta A/D átalakítók U i+1 = U be f i + U i U be f i U i U i+1 d i 3,3 0 V 0 V 3,3 1 3,3 5 3,3 1,6 1 3,3 5 1,6-0,1 0 3,3 0-0,1 3,2 1 3,3 5 3,2 1,5 1 3,3 5 1,5-0,2 0 3,3 0-0,2 3,1 1 3,3 5 3,1 1,4 1 3,3 5 1,4-0,3 0 3,3 0-0,3 3 1 87

Szigma-Delta A/D átalakítók Kevés alkatrész szükséges a felépítéséhez Trade-off: pontosság vs. sebesség Nagyon elterjedt Sokkal nagyobb működési frekvencia kell, mint a bemeneti jel maximális frekvenciája (pontosan a túlmintavételezés miatt) 88

A/D átalakítók összehasonlítása 89

DA átalakítók Az IC megvalósítás aspektusai VLSI áramkörök: memóriák, DA és AD átalakítók Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 90

D/A átalakítók Fajtái Integráló típusú (2 n lépésben átalakítók) Bit-soros (n lépésben átalakítók) Párhuzamos (1 lépésben átalakítók) 91

Egylépéses áramösszegző D/A Fázisfordító erősítő R 1 R 2 U R be 1 + R U ki 2 = 0 U be ~0V Uki A v = U U ki be = R R 2 1 92

Egylépéses áramösszegző D/A Összeadó erősítő kapcsolás (szuperpozíció elve) R N U N U 2 R 2 R 1 R U ki R R R = U1 + U 2... + UN R1 R2 RN U 1 93

Egylépéses áramösszegző D/A Áramösszegzés, áram-kvantálás elvén alapul Áramtükörben több binárisan növekvő áramú, így növekvő W tranzisztor (több darab tranzisztorból összerakva) Tranzisztorok áramát I ref és a geometriájuk határozza meg Áramok összegzése nem invertáló műveleti erősítővel PONTOSSÁG!!! 94

Egylépéses áramösszegző D/A 95

Tervezési megfontolások Hogy biztosíthatjuk az átalakítás pontosságát? 1. Nem a W növekszik, hanem egységnyi w csatornaszélességű (I 0 -hoz tartozó) tranzisztorok párhuzamos kapcsolásával 2. Egységnyi tranzisztor mérete a megvalósítható minimális méret többszöröse (méretszórások) 3. Szimmetrikus elrendezésre való törekvés. Nagy áramú elemek összetevői a többi körül egyenletesen elosztva. 96

Egylépéses kapacitív D/A Kapacitás háló kisütése, U ki kimenet nullázása K v C 0 2 C 0 4 C 0 8 C 0 16 C 0 32 C 0 64 C 0 128 C 0 U ki C 0 K 0 K 1 K 7 U ref 97

Egylépéses kapacitív D/A D i =0 esetén K i U ref -re kapcsolva D i =1 esetén K i földre kapcsolva K v C 0 2 C 0 4 C 0 8 C 0 16 C 0 32 C 0 64 C 0 128 C 0 U ki C 0 K 0 K 1 K 7 U ref 98

99 Egylépéses kapacitív D/A 2 1 1 ref 2 1 2 1 2 ref 2 1 2 1 2 ref 2 1 2 ref 2 1 2 ref Ki C C C U C C C C C 1 U C C C C C 1 U C 1 C 1 C 1 j 1 j 1 U C j 1 C j 1 C j 1 U U + = + = + = = + ω ω = ω + ω ω = C 1 =C Ref U ref C 2 =C GND

Egylépéses kapacitív D/A Előnyös, mert statikus áramfelvétele 0 Kapacitások pontossága jobban kézben tartható (utólagos kalibráció lehetősége, hőmérsékletérzékenysége kisebb) Tervezési megfontolásokat figyelembe kell venni!!! Nagyfelbontású D/A esetén nagyon pontosan kell megvalósítani a kapacitásokat, de technológiai szórások!!! SZÜKSÉGES az utólagos trimmelhetőség kialakítása 100

Ellenállás-osztásos D/A Elvi működése: Minden lehetséges kimeneti Analóg értéket előállítunk Nagyméretű, digitális kapcsolómátrix segítségével választjuk ki a bemenetnek megfelelő analóg értéket ezen jelek közül Lényegében egy bináris fa, ahol az ellenállások egyforma értéke rendkívül fontos (IC) Nagyon nagy a helyigénye a sok ellenállás (8 bit esetén legalább 256 darab) és a sok kapcsoló tranzisztor miatt. Állandó statikus áram, disszipáció 101

Ellenállás-osztásos D/A 102

Ellenállás-osztásos D/A Tervezési trükk a layout-on Poliszilícium Diffúzió Fém 1 Kontaktus 103

Töltésfelezős, n-lépéses D/A átalakító Maximum 8..10 bites megoldások Nagyon fontos, hogy C 1 és C 2 kapacitás értéke egyenlő legyen U ref C 1 C 2 U ki D i Φ 1 Φ 2 Reset 104

Töltésfelezős, n-lépéses D/A átalakító I. Kimeneti kapacitás kisütése U ref C 1 C 2 U ki D i Φ 1 Φ 2 Reset 105

Töltésfelezős, n-lépéses D/A átalakító II. LSB bit értékének megfelelően, T 1 tranzisztor bemenetére kapcsolva föld vagy U ref kapcsolva U ref T 1 C 1 C 2 U ki D i Φ 1 Φ 2 Reset 106

Töltésfelezős, n-lépéses D/A átalakító III. T2 tranzisztor bekapcsolásával töltésmegosztás jön létre a két kapacitás között U U n-1 ref = i ki Di 2 n 2 i= 0 U ref T 1 C 1 C 2 U ki D i Φ 1 Φ 2 Reset 107

2008.március 108