SOC实例19_2014_06_16

1、1第19章 SoC实例集成电路设计系列庄奕琪庄奕琪 主讲主讲 2本章概要本章概要n蓝牙芯片n媒体处理器nRFID芯片31 蓝牙芯片 技术规格工作频段ISM频段，2.4022.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mbit/s非同步信道速率非对称连接721/57.6kbit/s，对称连接433.9kbit/s同步信道速率64kbit/s发射功率美国FCC要求0dbm(1mW)，可扩展为20dBm(100mW)，但需增加功率控制发射距离一般为10cm10m，增加功率情况下可达100m跳频频道数79个，每个频道带宽1MHz频道带宽1MHz140kHz(

2、1电平)，175kHz(0电平) (按-20dB定义)跳频速率1600次/s工作模式活动/侦听/保持/休眠数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC，2/3FEC，ARQ鉴权采用反应逻辑算术信道加密采用0位、40位、60位密钥调制技术二进制GFSK(BT=0.5, 0.28h60小时数据传输平均6mA100小时待机0.3mA3个月保持60A休眠60A1 蓝牙芯片 低功耗蓝牙设计了6种操作状态，按照耗能大小排队，次序为“待机”、“休眠”、“保持”、“侦听”、“准备连接”、“活动”。10输出功率等级一类（Class1）二类（Class2）三类（Class3）最大输出功率1

3、00mW（20dBm）2.5mW (4dBm)1mW（0dBm）最小输出功率1mW（0dBm）0.25mW (-6dBm)输出功率范围-30+20dBm-30+4dBm-300dBm传输距离100m10m10m功率控制要求+4dBm+20dBm(必有)-30+4dBm(可选)-30+4dBm(可选)-30+4dBm(可选)1 蓝牙芯片 输出功率与传输距离11n 基带层（LC、LM）：高速，硬件实现，ASICn 链路层(L2CAP、RFCOMM、SDP)：中速，大存储量，固件实现，嵌入式CPUn 应用层（依应用而异）：低速，软件实现，嵌入式CPU或主机CPU1 蓝牙芯片 软硬件分割121 蓝牙芯

4、片 系统架构13MCU&MemoryI/OBasebandCoreRadion RF芯片： GaAs, GeSi，无源元件 基带芯片：ASIC, DSP 微处理器芯片： CPU、RAM、Flashn 特点：设计与制造容易，体积过大1 蓝牙芯片 多芯片方案14MCU&MemoryI/OBasebandCoreRadion RF芯片：芯片：GaAs, GeSi，BiCMOS 基带芯片：基带芯片：CMOS，含，含CPU、RAM、Flashn 特点：工艺相对成熟，成本偏高特点：工艺相对成熟，成本偏高1 蓝牙芯片 双芯片方案15MCU&MemoryI/OBasebandCoreR

5、adion 全CMOS化：RF CMOSVLSI CMOSn 兼容技术：模拟与数字，射频与基频n 特点：设计难度大，工艺不够成熟，功耗较大1 蓝牙芯片 单芯片方案16Host MCU&Memory&LogicBasebandCoreRadion 蓝牙作为系统芯片中的一个IPn 与主机（手机、耳机、PDA等）芯片融为一体n 未来发展方向1 蓝牙芯片 “零芯片”方案171 蓝牙芯片 已有商用芯片18版图布局版图布局应用电路应用电路1 蓝牙芯片 首个SoC芯片BC02191 蓝牙芯片 内部构成(双芯片)201 蓝牙芯片 内部构成(单芯片)21蓝牙芯片基带部分构造222 媒体处理器 图

6、像编码标准23原始Lena图像8x8 DCT变换后的Lena图像两级DWT变换后的Lena图像2 媒体处理器 静止图像的压缩编码nJPEG：采用离散余弦变换（DCT，Discrete Cosine Transform）nJPEG2000：采用离散子波变换（DWT，Discrete Wavelet Transform）242 媒体处理器 静止图像的压缩编码252 媒体处理器 视频图像的压缩编码262 媒体处理器 架构要求n处理器：对各种长度的视频信号进行解析运算，可能需要24级的并行处理，位数为8、16、24bit。采用多个CPU进行数据解析，用DSP进行高速运算n存储器：需要大的存储空间（如1

7、6Mbit的DRAM）以及高速的访问接口n视频/音频DAC：用于视频/音频数据流的输出，如RGB-YUV转换n接口控制：PCI、USB、I2C和UART接口n特殊目的电路：如fax/modem、温度监控器、测试/调试电路（JTAG、ICE等）272 媒体处理器 基本构成:CPU核ARM CPU核架构核架构PowerPC 603e CPU核架构核架构282 媒体处理器 基本构成:其它IP292 媒体处理器 MPEG-2解码流程运动估计(Motion compensation)反余弦变换(Inverse discrete transformation)颜色空间转换(Color space conv

8、ersion）302 媒体处理器 JPEG编解码流程312 媒体处理器 H.264/AVC解码流程322 媒体处理器 实例:架构索尼/东芝开发的媒体处理器架构整数单元(Integer unit)帧处理单元(Frame processing unit)指令缓存(Instruction catch)数据缓存(Data catch) 中间结果缓存(Scratchpad RAM)矢量处理单元(Vector Processor Unit) 图形接口单元(Graphic interface unit)直读存储器接口(Direct memory access interface)图像处理单元(Image p

9、rocessing unit）332 媒体处理器 实例:矢量处理单元构成 视频接口单元(Image interface unit)342 媒体处理器 实例:图像处理单元构成反余弦变换(Inverse discrete transformation)颜色空间转换(Color space conversion）可变长度解码(Variable-length decode）矢量量化（Vector quantization）逆量化(Inverse quantization)352 媒体处理器 实例:版图布局与时钟树n时钟信号通过四级缓冲器传送，总延迟120ps（40ps全局，60ps局部，20ps冗余n

10、时钟线、电源线、地线布在最顶层n主频250MHz，电源电压1.8V，功耗15W（40CPU，14I/O口，46其它） 1050万个晶体管，0.25umCMOS工艺，芯片面积17x14.1mm2，540脚PBGA封装363 RFID芯片 什么是RFID？o RFID：射频识别，Radio-frequency IdentificationRFID标签RFID读写器37o 随时随地知道每一个物品是什么？o 随时随地知道每一个物品在哪里？o 随时随地知道每一个物品周边的环境状态？RFIDRFID+GPSRFID+传感器RFID与物联网的关系38n根据标签是否需要电池分类根据标签是否需要电池分类n有源标

11、签有源标签：需要电池供电，通信距离远，技术门槛低n无源标签无源标签：无需电池供电，通信距离近，技术门槛高n根据工作频段分类根据工作频段分类n13.56MHz：无源，第一代，诸如身份证、一卡通等，通信距离10cmn840960MHz：无源，第二代，取代条形码，通信距离610mn443MHz：有源，第一代n2.4GHz & 5.8GHz：有源，第二代，通信距离10200mRFID有哪些类型？39国外标准国外标准(ISO/IEC)(ISO/IEC)我国标准（国军标我国标准（国军标国标）国标）工作频率工作频率无源无源有源有源无源无源有源有源125kHz-135kHz125kHz-135kHz1

12、8000-218000-2，11784/5, 1422311784/5, 1422313.56MHz13.56MHz18000-318000-3，1444314443，1569315693433MHz433MHz18000-718000-7860-960MHz860-960MHz( (我国我国840-845 840-845 、920-925 MHz) 920-925 MHz) 18000-618000-6GJBGJB，2011.92011.9完完成成2.45GHz2.45GHz18000-418000-418000-418000-4GJBGJB，2011.92011.9完成完成5.8GHz5.

13、8GHz18000-518000-5RFID标准自主、可控、安全自主、可控、安全40中国自主无源RFID标准中国自主标准GJB国际标准18000-6C前向调制方式DSB-ASK或SSB-ASKASK或PR-ASK调制深度30%100%80%100%信道带宽250kHz无具体要求前向编码方式TPP编码PIE编码编码长度Tc=6.25us或Tc=12.5usTari（6.25，25）us后向编码的前导码FM0：1110V00VMILLER：00111101FM0：1010V1MILLER：010111BLF连续性分立连续是否支持认证支持不支持是否支持加密支持不支持防冲突算法动态分散收缩二叉树（DD

14、S-BT）基于随机时隙的防碰撞（Q算法）有无session无有随机数防冲突采用RN11+CRC5，加密采用RN16都采用RN1641读写器芯片（多芯片实现，有源，重复使读写器芯片（多芯片实现，有源，重复使用，消耗量相对小）用，消耗量相对小）标签芯片（单芯片实现，无源，一次性使用，标签芯片（单芯片实现，无源，一次性使用，消耗量巨大）消耗量巨大）无源RFID系统中的芯片42n首款商业化的无源集成电路n功耗最低的集成电路（30%)天线天线-芯片阻抗芯片阻抗匹配技术（失配匹配技术（失配损失损失20%)RF ESD防护技防护技术（术（2000V HBM，极低寄，极低寄生效应生效应)强电源波动下的时钟稳定

15、强电源波动下的时钟稳定技术（优于技术（优于2.5）强电源波动下的电源管理强电源波动下的电源管理技术（电源波动可达技术（电源波动可达500mV/1.2V）超低功耗数字基带设计技术超低功耗数字基带设计技术（12万门，功耗万门，功耗10uW)超低功耗非易失存储器技超低功耗非易失存储器技术（术（2kbit，功耗，功耗10uW)支持认证与加密的安全加固支持认证与加密的安全加固技术（受功耗与速率约束）技术（受功耗与速率约束） 红色：已突破红色：已突破 蓝色：境外工艺蓝色：境外工艺线已突破，境内线已突破，境内内工艺线待突破内工艺线待突破 绿色：待验证绿色：待验证 蓝色蓝色、绿色：、绿色：GJB与与18000

16、6C不同不同无源RFID芯片的构成及其关键技术44基于低阈值MOSFET的全互补动态自偏置阈值电压补偿的倍压整流电路 关键技术:高效率射频能量转换45低功耗的数字基带体系架构 关键技术:超低功耗数字基带设计46 二极管阵列二极管阵列ESD保护电路保护电路双极晶体管双极晶体管ESD保护电路保护电路关键技术:低寄生效应的ESD防护设计47参数参数TSMCSMIC原有原有SMIC改进改进西电自主设计西电自主设计类型类型MTPEEPROMEEPROMEEPROM容量容量512-bits；2k-bits16k-bits1k-bits；16k-bits1k-bits；可扩展至；可扩展至16k-bits读电

17、压读电压0.92V（Typ：1.8V）1.621.98V0.91.8V（Typ：1V）0.91.8V（Typ：1V）写电压写电压1.62V（Typ：1.8V）1.621.98V1.61.8V（Typ：1.65V） 1.61.8V（Typ：1.65V）读电流读电流2A（max：3.5A）40 uA/MHz1.8A（max：2.26A）1.2A（max：1.3A）写电流写电流Typ:45ATyp:500ATyp:33ATyp:33A读取速度读取速度200ns200ns2.4s1.6s写速度写速度510ms4ms8ms8ms工作温度范围工作温度范围-4085-2085-2085芯片面积芯片面积512

18、-bits：0.14mm22k-bits：0.392mm21k-bits：0.17mm2（可（可优化）优化）16k-bits：0.37mm21k-bits：0.15mm2（可优（可优化至化至0.12mm2）关键技术:超低功耗非易失性存储器48返回读写器数据波形返回读写器数据波形倍压整流和稳压输出电压波形倍压整流和稳压输出电压波形芯片输入阻抗（虚部）随输入功率的变化芯片输入阻抗（虚部）随输入功率的变化解调输出波形解调输出波形 测试结果示例49研制阶段时间节点完成任务测试结果关键技术研究2006启动UHF RFID技术研究模块及方案验证2008.1Chartered 0.35m第一次流片主要模块实

19、现功能2008.10Chartered 0.35m第二次流片 实现标签与读写器间的无线通信，读距离1米18000-6C标签芯片研制（采用境外代工厂先进RFID工艺和外购存储器IP）2009.1TSMC 0.18m第一次流片 实现标签与读写器间的读写操作，读距离8m；写，-8dBm, 4m；SMIC工艺，读4.3m，写3mv数据传输速率；40-640kbpsv识读速率: 单个标签识读时间8ms；多个标签识读速率80个标签/sv工艺： 0.18m CMOS（TSMC和SMIC）v芯片总功耗：19 W可靠性 v工作温度: -40C85Cv存储温度: -55C85Cv抗静电强度: 2000V HBM存

20、储器v类型：MTP(TSMC），EEPROM（SMIC)v容量: 512bits/2kbits(TSMC)，512bits16kbits(SMIC)v数据保存时间: 10年v可改写次数: 10万次nGJB标签芯片功能规格v工作频率: 840-960MHzv工作方式：非接触，无源，可读可写 v采用TPP编码、动态分散收缩二叉树防冲突算法，支持安全认证v数据传输速率：80k，160k，320k，640kbpsv灵敏度和读写距离：因无GJB读写器，无法测试v识读速率: 单个标签识读时间8ms；多个标签识读速率80个标签/sv工艺： 0.18m CMOS（TSMC和SMIC）v芯片总功耗：19 W（I

21、类标签）可靠性 v待验证存储器v类型：MTP(TSMC），EEPROM（SMIC)v容量: 512bits/2kbits(TSMC)，512bits16kbits(SMIC)v数据保存时间: 10年v可改写次数: 10万次 目前已达到的指标51n流片工艺：0.18um Mixed Signal & RFID CMOS工艺n流片目的：功能验证与基本性能指标验证n测试结果：采用PCB基板或聚四氟乙烯基板以及覆铜天线制作标签，可实现与读写器的正常通信，最大识读距离5米GH型标签GF型标签PCB标签投片验证:2009.352o工艺：0.18um Mixed Signal & RFID CMOS工艺o投片目的：全部性能指标及可靠性的验证o测试结果：采用PET薄膜基板、印制天线和Wire bonding封装制作标签，全部