微型化與低功耗設(shè)計技術(shù)

微型化與低功耗設(shè)計技術(shù)第一頁，共68頁。電子元器件集成度越來越高摩爾定律：集成電路芯片的集成度每1.5年提高2倍。數(shù)字、模擬混合集成技術(shù)的發(fā)展，單片計算機已在增強CPU功能的基礎(chǔ)上，將許多復(fù)雜的外圍器件功能集于一身。第二頁，共68頁。電子元器件封裝工藝的不斷革新表面安裝技術(shù)(SMT)取代穿孔式安裝(THT)。表面安裝元件(SMC)。表面安裝器件(SMD)。第三頁，共68頁。大量以低功耗為目標(biāo)的電子元器件問世以MSP430為代表的微處理器可工作在uA級電流。以3V供電的反射式圖形液晶顯示器(LCD)模塊耗電不到1mA。第四頁，共68頁。ASIC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)。PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)。第五頁，共68頁。新興技術(shù)的影響硅微加工技術(shù)在硅材料上進行微米級水平的三維加工技術(shù)，包含模擬、數(shù)字電路和執(zhí)行裝置的微機電系統(tǒng)(MEMS)?？捎糜谌梭w姿態(tài)監(jiān)測的加速度傳感器，在3mmX3mm的芯片上加工出機械結(jié)構(gòu)，同時還有放大、信號處理和自校正電路。第六頁，共68頁。納米技術(shù)在10-9m的尺度內(nèi)對原子、分子加工的技術(shù)。“納米世界”表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子，也不同于我們所熟悉的大物質(zhì)的性質(zhì)。美國波士頓大學(xué)研制成功的分子馬達僅由78個原子組成，若能配上相應(yīng)尺度的“刀具”和控制裝置，可實現(xiàn)對大分子的加工。第七頁，共68頁。第二節(jié)便攜式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計的基本特點單片機的多功能發(fā)展，集成了越來越多的外圍電路的功能。A/D、D/A(PWM)、LCD驅(qū)動、RAM、ROM(EPROM、FLASH)等。通訊一般采用線數(shù)最少的串行方式，低速用RS-232，高速用USB，近距離無線通訊采用紅外通訊(IrDA)和寬帶無線技術(shù)。一般不配打印機，顯示器大多采用低功耗的段式或點陣圖形液晶顯示器。1.系統(tǒng)設(shè)計高度集約化第八頁，共68頁。2.選用合適的供電電壓和運行速度C為電路中的分布電容和開關(guān)型IC器件的極間電容；V為供電電壓；f為工作頻率。第九頁，共68頁。3.電路設(shè)計全面采用CMOS集成電路除個別特殊的功率驅(qū)動電路外，盡可能采用CMOS電路。CMOS電路的優(yōu)點微功耗（靜態(tài)功耗幾乎為0）輸出邏輯電平擺幅大，工作電壓范圍寬，抗干擾能力強工作溫度范圍較寬。HCMOS電路速度已完全可以和TTL電路兼容。第十頁，共68頁。4.中央處理器參與低功耗管理第十一頁，共68頁。5.全面采用表面安裝器件除個別特殊的大功率器件外，包括單片機在內(nèi)的所有IC都有相應(yīng)的SMT器件?；A(chǔ)元器件（電阻、電容、電感、變壓器、熱敏電阻等）均有都有相應(yīng)的SMT器件。SMT器件與THT器件相比，尺寸大幅度減小。電阻、電容體積僅有直插器件的1/10。IC的引腳中心距已由1.27mm縮小到0.3mm。第十二頁，共68頁。第三節(jié)微型化與低功耗設(shè)計CMOS數(shù)字集成電路的靜態(tài)功耗幾乎為0。如接法合適，可降低到uA級1.CMOS集成電路與低功耗設(shè)計第十三頁，共68頁。發(fā)生在邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間，由兩個分量構(gòu)成。跳變時兩個場效應(yīng)管同時導(dǎo)通所引起的尖峰電流。與轉(zhuǎn)換時間有關(guān)。邏輯門節(jié)點電容的充電電流。等于面積與重復(fù)頻率的乘積。CMOS數(shù)字集成電路的動態(tài)功耗第十四頁，共68頁。R是能耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換動作幾率，指一個周期內(nèi)做能耗狀態(tài)所用時間與時鐘周期之比。與電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能、輸入數(shù)據(jù)的狀態(tài)組合及初始狀態(tài)均有關(guān)系換時間有關(guān)。C是負(fù)載電容CMOS數(shù)字集成電路動態(tài)功耗的低功耗設(shè)計第十五頁，共68頁。降低動態(tài)功耗的主要途徑降低工作電壓減少負(fù)載電容降低工作頻率降低耗能狀態(tài)轉(zhuǎn)換活動幾率第十六頁，共68頁。CMOS數(shù)字集成電路應(yīng)用注意事項未用引腳的處理。如懸空將引起功耗增加嚴(yán)重時會損壞器件不能懸空！第十七頁，共68頁。第十八頁，共68頁。輸入信號幅度

應(yīng)保持在供電電壓范圍之內(nèi)，否則可能損壞電路輸出能力CMOS電路驅(qū)動能力表第十九頁，共68頁。2.單片機的低功耗設(shè)計C為輸入電容和連線電容的總和，典型輸入電容為10pF。第二十頁，共68頁。時鐘頻率第二十一頁，共68頁。高速內(nèi)核第二十二頁，共68頁。外圍電路的集成化內(nèi)部程序存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器第二十三頁，共68頁。時鐘源管理第二十四頁，共68頁。片內(nèi)環(huán)形振蕩器可降低功耗改善停機模式空閑模式突發(fā)工作模式第二十五頁，共68頁。3.存儲器的低功耗設(shè)計HCMOS存儲器存儲器功耗表第二十六頁，共68頁。維持工作方式EPROM維持工作方式RAM和EEPROM的維持工作方式FLASH維持工作方式AMD的Am29L400B，通過軟件設(shè)置，可使其在非讀寫擦除狀態(tài)時處于休眠維持狀態(tài)，讀電流7mA，編程/擦除電流15mA，休眠電流200nA。第二十七頁，共68頁。第二十八頁，共68頁。FLASH應(yīng)用設(shè)計實例Intel公司的DA28F320J5是32Mbit閃速存儲器。支持14種操作指令，每項操作均要通過相應(yīng)的命令實現(xiàn)第二十九頁，共68頁。第三十頁，共68頁。第三十一頁，共68頁。4.電源的低功耗設(shè)計電源的分類線性穩(wěn)壓電源。低壓差(LDO)的新型線性穩(wěn)壓器，一般輸出100mA時，壓差<100mV。開關(guān)穩(wěn)壓電源。DC/DC變換器，生壓型用于<1A時，降壓型用于>1A時。電壓反轉(zhuǎn)式可以獲得負(fù)壓。電荷泵電源。輸出是輸入的負(fù)壓或兩倍的輸入電壓。第三十二頁，共68頁。早期的電荷泵變換器是以ICL7600為基礎(chǔ)，其缺點是：輸出電流小、輸出電阻大、振蕩頻率低、外接電容容量大、靜態(tài)電流大(170uA)。新型產(chǎn)品如MAX1673的靜態(tài)電流僅為35uA，MAX662A在關(guān)閉狀態(tài)時耗電<1uA。第三十三頁，共68頁。便攜式儀器的電源設(shè)計輸出電流大時應(yīng)采用降壓DC/DC輸出電流小時應(yīng)采用升壓DC/DC工作電流的最大值為IC最大輸出電流的70%~90%較為合適。采用LDO的最佳條件要求輸出電壓紋波、噪聲特別小輸入輸出電壓差不大輸出電流不大于100mA第三十四頁，共68頁。需負(fù)電源時盡量采用電荷泵要求噪聲小或輸出穩(wěn)壓時，可采用帶LDO線性穩(wěn)壓的電荷泵IC。如MAX1680輸出電流125mA，僅需外接兩個1uF電容，輸出阻抗3.5。MAX868，輸出電壓可調(diào)，外接兩個0.1uF電容，消耗35uA電源電流，可輸出30mA穩(wěn)壓電流，小尺寸uMax封裝。第三十五頁，共68頁。DC/DC變換器中電感、電容及續(xù)流二極管的選擇電感要滿足在開關(guān)電流峰值時不飽和(開關(guān)峰值電流要大于輸出電流的3~4倍)，并要選擇合適的磁芯以滿足開關(guān)頻率的要求。電容應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻小、相應(yīng)速度快的膽電容，可降低輸出紋波電壓二極管必須采用肖特基二極管，其額定值應(yīng)大于DC/DC的峰值電流。第三十六頁，共68頁。5.液晶顯示技術(shù)液晶是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機化合物。在不同電流電場作用下，液晶分子會做規(guī)則的旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光度的差別。第三十七頁，共68頁。第三十八頁，共68頁。液晶顯示方式被動方式（反射式）：本身不發(fā)光而只是調(diào)制環(huán)境光，因此，顯示時需要一定的光源。主動方式：由場效應(yīng)管驅(qū)動第三十九頁，共68頁。反射式液晶的工作特點工作電壓低（3~6V）；功耗極?。?8~80uW/平方厘米)。體積小，為平板式顯示。顯示時間和余輝時間較長，速度較慢。在黑暗環(huán)境中不能顯示，需采用輔助光源。無電磁輻射。第四十頁，共68頁。液晶分類根據(jù)顯示材料構(gòu)造，可分為TN、STN、TFT。根據(jù)技術(shù)原理可分為TN、STN、FSTN、DSTN、TFT。TN：扭曲向列型。STN：超扭曲向列型。FSTN：薄層超扭曲向列型。DSTN：雙超扭曲向列型。TFT：薄片式晶體管型。第四十一頁，共68頁。第四十二頁，共68頁。第四十三頁，共68頁。第四十四頁，共68頁。第四十五頁，共68頁。第四十六頁，共68頁。液晶顯示模塊將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB電路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。可分為數(shù)顯液晶模塊、液晶點陣字符模塊和液晶點陣圖形模塊。第四十七頁，共68頁。數(shù)顯液晶模塊記數(shù)模塊計量模塊計時模塊第四十八頁，共68頁。點陣圖形液晶模塊行、列驅(qū)動型直接驅(qū)動型行、列控制型第四十九頁，共68頁。點陣圖形液晶應(yīng)用設(shè)計實例EG7564C_RS是一種高性能反射式320X200黑白點陣液晶，具有體積小、分辨率高、超低功耗(1mA)等特點，并且是3.3V單電源供電，共有18個引腳。第五十頁，共68頁。第五十一頁，共68頁。第五十二頁，共68頁。6.表面安裝技術(shù)SMT的主要優(yōu)點：PCB無需鉆孔，與THT比較，組裝速度快，組裝密度提高50%（采用雙面和多層板可大幅度縮?。?。是片式結(jié)構(gòu)，無外引線，縮短了信號傳輸延遲時間，有利于提高電路的高頻性能。耐振動，可靠性高。易于實現(xiàn)組裝自動化，降低加工成本。第五十三頁，共68頁。THT與SMT特征尺寸的比較第五十四頁，共68頁。第五十五頁，共68頁。第五十六頁，共68頁。7.電路集成設(shè)計可編程邏輯器件(PLD)。PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)。第五十七頁，共68頁?？删幊踢壿嬈骷?PLD)由一個“與”門和一個“或”門陣列組成。任何一個組合邏輯都可以用“與—或”表達式描述。能完成各種數(shù)字邏輯功能能完成各種數(shù)字邏輯功能。第五十八頁，共68頁。PAL(可編程陣列邏輯)由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面組成。或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)?，F(xiàn)場可編程，實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。第五十九頁，共68頁。GAL(通用陣列邏輯)在PAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。輸出結(jié)構(gòu)是可編程的宏單元?，F(xiàn)場可編程，實現(xiàn)了電可擦除和改寫。第六十頁，共68頁。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和

CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)在PAL、GAL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來?？梢源鎺资踔翈浊K通用IC芯片。比較典型的是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。第六十一頁，共68頁。第六十二頁，共68頁。FPGA和CPLD的優(yōu)點其基本邏輯門數(shù)可大上百萬門。出廠前已做過百分之百的測試，不需設(shè)計