第三章微型化与低功耗设计技术

第三章微型化与低功耗设计技术第一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四电子元器件集成度越来越高摩尔定律：集成电路芯片的集成度每1.5年提高2倍。数字、模拟混合集成技术的发展，单片计算机已在增强CPU功能的基础上，将许多复杂的外围器件功能集于一身。第二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四电子元器件封装工艺的不断革新表面安装技术(SMT)取代穿孔式安装(THT)。表面安装元件(SMC)。表面安装器件(SMD)。第三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四大量以低功耗为目标的电子元器件问世以MSP430为代表的微处理器可工作在uA级电流。以3V供电的反射式图形液晶显示器(LCD)模块耗电不到1mA。第四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四ASIC技术的发展现场可编程逻辑器件(FPLD)。PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)。第五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四新兴技术的影响硅微加工技术在硅材料上进行微米级水平的三维加工技术，包含模拟、数字电路和执行装置的微机电系统(MEMS)。可用于人体姿态监测的加速度传感器，在3mmX3mm的芯片上加工出机械结构，同时还有放大、信号处理和自校正电路。第六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四纳米技术在10-9m的尺度内对原子、分子加工的技术。“纳米世界”表现出既不同于单个原子、分子，也不同于我们所熟悉的大物质的性质。美国波士顿大学研制成功的分子马达仅由78个原子组成，若能配上相应尺度的“刀具”和控制装置，可实现对大分子的加工。第七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第二节便携式医学仪器设计的基本特点单片机的多功能发展，集成了越来越多的外围电路的功能。A/D、D/A(PWM)、LCD驱动、RAM、ROM(EPROM、FLASH)等。通讯一般采用线数最少的串行方式，低速用RS-232，高速用USB，近距离无线通讯采用红外通讯(IrDA)和宽带无线技术。一般不配打印机，显示器大多采用低功耗的段式或点阵图形液晶显示器。1.系统设计高度集约化第八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四2.选用合适的供电电压和运行速度C为电路中的分布电容和开关型IC器件的极间电容；V为供电电压；f为工作频率。第九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四3.电路设计全面采用CMOS集成电路除个别特殊的功率驱动电路外，尽可能采用CMOS电路。CMOS电路的优点微功耗（静态功耗几乎为0）输出逻辑电平摆幅大，工作电压范围宽，抗干扰能力强工作温度范围较宽。HCMOS电路速度已完全可以和TTL电路兼容。第十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四4.中央处理器参与低功耗管理第十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四5.全面采用表面安装器件除个别特殊的大功率器件外，包括单片机在内的所有IC都有相应的SMT器件。基础元器件（电阻、电容、电感、变压器、热敏电阻等）均有都有相应的SMT器件。SMT器件与THT器件相比，尺寸大幅度减小。电阻、电容体积仅有直插器件的1/10。IC的引脚中心距已由1.27mm缩小到0.3mm。第十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第三节微型化与低功耗设计CMOS数字集成电路的静态功耗几乎为0。如接法合适，可降低到uA级1.CMOS集成电路与低功耗设计第十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四发生在逻辑状态转换的瞬间，由两个分量构成。跳变时两个场效应管同时导通所引起的尖峰电流。与转换时间有关。逻辑门节点电容的充电电流。等于面积与重复频率的乘积。CMOS数字集成电路的动态功耗第十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四R是能耗状态转换动作几率，指一个周期内做能耗状态所用时间与时钟周期之比。与电路结构、逻辑功能、输入数据的状态组合及初始状态均有关系换时间有关。C是负载电容CMOS数字集成电路动态功耗的低功耗设计第十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四降低动态功耗的主要途径降低工作电压减少负载电容降低工作频率降低耗能状态转换活动几率第十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四CMOS数字集成电路应用注意事项未用引脚的处理。如悬空将引起功耗增加严重时会损坏器件不能悬空！第十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四输入信号幅度

应保持在供电电压范围之内，否则可能损坏电路输出能力CMOS电路驱动能力表第十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四2.单片机的低功耗设计C为输入电容和连线电容的总和，典型输入电容为10pF。第二十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四时钟频率第二十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四高速内核第二十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四外围电路的集成化内部程序存储器内部数据存储器第二十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四时钟源管理第二十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四片内环形振荡器可降低功耗改善停机模式空闲模式突发工作模式第二十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四3.存储器的低功耗设计HCMOS存储器存储器功耗表第二十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四维持工作方式EPROM维持工作方式RAM和EEPROM的维持工作方式FLASH维持工作方式AMD的Am29L400B，通过软件设置，可使其在非读写擦除状态时处于休眠维持状态，读电流7mA，编程/擦除电流15mA，休眠电流200nA。第二十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第二十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四FLASH应用设计实例Intel公司的DA28F320J5是32Mbit闪速存储器。支持14种操作指令，每项操作均要通过相应的命令实现第二十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第三十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第三十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四4.电源的低功耗设计电源的分类线性稳压电源。低压差(LDO)的新型线性稳压器，一般输出100mA时，压差<100mV。开关稳压电源。DC/DC变换器，升压型用于<1A时，降压型用于>1A时。电压反转式可以获得负压。电荷泵电源。输出是输入的负压或两倍的输入电压。第三十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四早期的电荷泵变换器是以ICL7600为基础，其缺点是：输出电流小、输出电阻大、振荡频率低、外接电容容量大、静态电流大(170uA)。新型产品如MAX1673的静态电流仅为35uA，MAX662A在关闭状态时耗电<1uA。第三十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四便携式仪器的电源设计输出电流大时应采用降压DC/DC输出电流小时应采用升压DC/DC工作电流的最大值为IC最大输出电流的70%~90%较为合适。采用LDO的最佳条件要求输出电压纹波、噪声特别小输入输出电压差不大输出电流不大于100mA第三十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四需负电源时尽量采用电荷泵要求噪声小或输出稳压时，可采用带LDO线性稳压的电荷泵IC。如MAX1680输出电流125mA，仅需外接两个1uF电容，输出阻抗3.5。MAX868，输出电压可调，外接两个0.1uF电容，消耗35uA电源电流，可输出30mA稳压电流，小尺寸uMax封装。第三十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四DC/DC变换器中电感、电容及续流二极管的选择电感要满足在开关电流峰值时不饱和(开关峰值电流要大于输出电流的3~4倍)，并要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求。电容应选择等效串联电阻小、相应速度快的胆电容，可降低输出纹波电压二极管必须采用肖特基二极管，其额定值应大于DC/DC的峰值电流。第三十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四5.液晶显示技术液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则的旋转90度排列，产生透光度的差别。第三十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第三十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四液晶显示方式被动方式（反射式）：本身不发光而只是调制环境光，因此，显示时需要一定的光源。主动方式：由场效应管驱动第三十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四反射式液晶的工作特点工作电压低（3~6V）；功耗极小（18~80uW/平方厘米)。体积小，为平板式显示。显示时间和余辉时间较长，速度较慢。在黑暗环境中不能显示，需采用辅助光源。无电磁辐射。第四十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四液晶分类根据显示材料构造，可分为TN、STN、TFT。根据技术原理可分为TN、STN、FSTN、DSTN、TFT。TN：扭曲向列型。STN：超扭曲向列型。FSTN：薄层超扭曲向列型。DSTN：双超扭曲向列型。TFT：薄片式晶体管型。第四十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第四十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第四十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第四十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第四十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第四十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四液晶显示模块将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB电路板、背光源、结构件装配在一起的组件。可分为数显液晶模块、液晶点阵字符模块和液晶点阵图形模块。第四十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四数显液晶模块记数模块计量模块计时模块第四十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四点阵图形液晶模块行、列驱动型直接驱动型行、列控制型第四十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四点阵图形液晶应用设计实例EG7564C_RS是一种高性能反射式320X200黑白点阵液晶，具有体积小、分辨率高、超低功耗(1mA)等特点，并且是3.3V单电源供电，共有18个引脚。第五十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第五十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第五十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四6.表面安装技术SMT的主要优点：PCB无需钻孔，与THT比较，组装速度快，组装密度提高50%（采用双面和多层板可大幅度缩小）。是片式结构，无外引线，缩短了信号传输延迟时间，有利于提高电路的高频性能。耐振动，可靠性高。易于实现组装自动化，降低加工成本。第五十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期四THT与SMT特征尺寸的比较第五十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第五十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第五十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期四7.电路集成设计可编程逻辑器件(PLD)。PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)。第五十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期四可编程逻辑器件(PLD)由一个“与”门和一个“或”门阵列组成。任何一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式描述。能完成各种数字逻辑功能能完成各种数字逻辑功能。第五十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期四PAL(可编程阵列逻辑)由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面组成。或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。现场可编程，实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。第五十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期四GAL(通用阵列逻辑)在PAL的基础上发展起来。输出结构是可编程的宏单元。现场可编程，实现了电可擦除和改写。第六十页，共六十七页，编辑于2023年，星期四FPGA(现场可编程门阵列)和

CPLD(复杂可编程逻辑器件)在PAL、GAL的基础上发展起来。可以代替几十甚至几千块通用IC芯片。比较典型的是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。第六十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期四第六十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期四FPGA和CPLD的优点其基本逻辑门数可大上百万门。出厂前已做过百分之百的测试