微型化与低功耗设计技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 微型化与低功耗设计技术,传统医学仪器的便携式设计已成为现代医学仪器发展的重要趋势。,微型化和低功耗设计是核心技术。,相关技术的发展为其提供了有力的支持。,第一节 概 述,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。,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)。,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。,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) 。,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。,纳米技术,在10,-9,m,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,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。,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。,4. 中央处理器参与低功耗管理,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,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,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,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,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！,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,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。,时钟频率,高速内核,外围电路的集成化,内部程序存储器,内部数据存储器,时钟源管理,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,3. 存储器的,低功耗设计,HCMOS存储器,存储器功耗表,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。,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,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，生压型用于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,。,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。,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,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。,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34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。,MAX669DC/DC变换器效率曲线,LDO纹波抑制曲线,LDO纹波抑制曲线,参数选择稳定性,200hz正弦波,无电源干扰,200hz正弦波,2Khz、占空比1%、10mv方波电源干扰,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。,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,反射式液晶的工作特点,工作电压低（36V）；功耗极小（1880uW/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。,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。,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。,数显液晶模块,记数模块,计量模块,计时模块,点阵图形液晶模块,行、列驱动型,直接驱动型,行、列控制型,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。,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。,THT,与SMT特征尺寸的比较,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) 。,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。,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。,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。,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。,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，不需设计人员承担投片风险和费用。,用户可反复编程、擦除、使用。,在外围电路不动的情况下用不同软件实现不同功能。,便携式医学仪器设计实例,设计目的,专为快速诊断、监护的心电图机。,集主机、显示器、电极导联于一体，体积仅如手掌般大小。,超低功耗，无需外接电源。,只要将仪器背面与人体胸部接触，便可立即自动显示,ECG。,