深入了解IC內(nèi)部結(jié)構(gòu).ppt

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設(shè)計五課王西(Ext.663)xi.wang@,深入了解IC內(nèi)部結(jié)構(gòu),—Hardwareapplication,**課程大綱**,I/OportconfigurationOscillatorsResetcircuitAudiooutput:DACAudiooutput:PWMSomethingaboutESDEOSphenomenonLatch-upSomepopularcircuitsDebugexperience,I/Oportconfiguration,MOS場效應(yīng)管,PMOS,NMOS,G,D,S,轉(zhuǎn)移特性,電路符號,簡化邏輯符號,電路符號,簡化邏輯符號,轉(zhuǎn)移特性,G,S,D,,,,,ID,ID,CMOS反相器、緩沖器,邏輯符號,內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖,邏輯符號,內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖,緩沖器,反相器,基本的輸入端口類型,Pureinput,Pull-lowinput,Pull-highinput,,,輸入端口的特性,InputPort一般為施密特觸發(fā)器(SchmittTrigger)結(jié)構(gòu)，三個重要參數(shù)為：VT+:輸入正向翻轉(zhuǎn)電壓；VT-:輸入負(fù)向翻轉(zhuǎn)電壓；VH=VT+-VT-:遲滯電壓。,Vo-Vi特性曲線,波形圖,實例,改進的pull-low結(jié)構(gòu),有些IC提供了改進的InputPull-low結(jié)構(gòu)：當(dāng)Controlreg為High時，Pull-low特性打開，高阻的WeakPull-lowResistor(約1MΩ)和低阻的StrongPull-lowResistor(約100kΩ)兩者并聯(lián)在Pin和VSS之間。當(dāng)Input為Low時，StrongPull-low打開，輸入阻抗較低；而當(dāng)Input變?yōu)镠igh時，StrongPull-low被禁止，此時的WeakPull-low僅消耗較小的輸入電流。這樣的結(jié)構(gòu)具有更好的輸入噪聲抑制能力。,右圖反映了InputVoltage呈Low?High?Low連續(xù)變化時，由WeakPull-lowResistor和StrongPull-lowResistor并聯(lián)而成的動態(tài)電阻阻值的變化情況。,基本的輸出端口類型,,,OutputValuePortStatus0011,OutputValuePortStatus001Floating,OutputValuePortStatus0Floating11,緩沖輸出(Buffer),NMOS漏極開路輸出(OpenDrainNMOS),PMOS漏極開路輸出(OpenDrainPMOS),(Sink),(Send),PMOS,NMOS,NMOS,PMOS,應(yīng)用舉例,I2C器件連接到I2C總線,NMOS漏極開路輸出在I2C總線中的應(yīng)用：,SDA和SCL都是雙向線路，都通過一個電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。當(dāng)總線空閑時，這兩條線路都是高電平，連接到總線的器件輸出級必須是漏極開路或集電極開路才能執(zhí)行線與的功能。,CMOS反相器的電壓傳輸曲線,應(yīng)用中需注意的問題,1.在輸入端口配置成內(nèi)部pull-low/pull-high的應(yīng)用中，當(dāng)輸入信號源的內(nèi)阻較大時，需注意內(nèi)部pull-low/pull-high電阻的影響(此電阻的典型值：50kΩ～200kΩ)。內(nèi)部pull-low/pull-high電阻與信號源的內(nèi)阻相串聯(lián)，IC之inputport上的實際電壓為輸入信號電壓在內(nèi)部pull-low/pull-high電阻上產(chǎn)生的分壓，故此時IC讀到的high/low狀態(tài)可能不正確。,2.若使用pureinput模式時，需注意不要使此I/Opin懸浮，僅從耗電的角度來解釋，其原因有二：a)從右圖中CMOS反相器的電壓傳輸曲線來看，在輸入高低電平轉(zhuǎn)換期間(圖中A-B之間的區(qū)域)，內(nèi)部PMOS或NMOS處于可變電阻區(qū)及飽和區(qū)，此時流過的電流相對較大。當(dāng)I/Opin懸浮時輸入電平不定，頻繁地在highlow之間轉(zhuǎn)換，會有更多的機會進入到A-B區(qū)域，增加了IC的耗電；b)如果此I/O口是wake-up輸入端口，還可能導(dǎo)致IC在sleepwake-up之間的頻繁轉(zhuǎn)換，增加IC的耗電。,3.對于輸出端口，由于其內(nèi)部開啟的MOS管存在導(dǎo)通內(nèi)阻，隨著輸出電流的增大，MOS管上的壓降也將增大，I/O口實際的輸出電壓將降低。,A,B,Oscillators,典型的振蕩器,1.R-Coscillator2.CMOSCrystaloscillator,*假定所有非門在Input=VDD時輸出轉(zhuǎn)態(tài)。第一暫穩(wěn)態(tài)(X點電壓波形下降階段)：下降時間:3/2VDD?1/2VDD此階段電容C2放電:U(t)=U(0)e–t/RC1/2VDD=3/2VDDe–T1/RC?T1=RCln3第二暫穩(wěn)態(tài)(X點電壓波形上升階段)：上升時間:-1/2VDD?1/2VDD此階段電容C2充電:U(t)=U(∞)+[U(0)-U(∞)]e–t/RC1/2VDD=VDD+[-1/2VDD-VDD]e–T2/RC?T2=RCln3振蕩頻率計算：T=T1+T2=2RCln3f=1/(2RCln3)=1/(2100k0.1μ1.1)=45.45Hz,R-C振蕩器分析,,,,,,,,,,,X,,,,,,,,,,,Y,-1/2VDD,1/2VDD,,T1,3/2VDD,注意：實際IC電路因有反向保護二極管，電壓只會大到VDD+0.6V及VSS-0.6V。,,,0,t,U,,,,U,t,0,,,,,,T2,實用R-C振蕩器,1.Rext為鏡像電流源電路之Bias電阻，決定鏡像電流源電路的輸出電流Ic。2.Ic愈大，電容C充電越快，時鐘頻率愈快。3.電容C由設(shè)計與制程決定。,,,,,,U,VDD,VT+,VT-,t,0,,,,,,,,,,Vc及Clock波形詳圖,電路示意圖,,,,,,,,,,,,,,Clock,Vc,初始狀態(tài)：電容上沒有電荷，電路從t=0時刻開始工作。,,R-C振蕩器的應(yīng)用特性,工作時，一般VB(UROSC)電壓約為1.0V~1.7V之間。Sleepmode時，UROSC=VDD。ROSC愈大，F(xiàn)ROSC愈慢，F(xiàn)ROSC呈指數(shù)型下降；反之愈快。(圖1)ROSC值不變而VDD變化時，F(xiàn)ROSC也會隨之變化。(圖2)一般低溫時FROSC變慢。若不特別篩選，Lot.byLot.的FROSC誤差可能達到+/-20%。,(圖1),(圖2),CMOS晶體振蕩器,CMOS反相器線性應(yīng)用，與負(fù)反饋偏置電阻R1一起構(gòu)成反相小信號放大器。Crystal與電容C1、C2構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)，形成180度相移電路。這一正反饋支路，也構(gòu)成了共鳴回路。對于振蕩電路來說，必須有正反饋，且閉環(huán)增益必須大于1。電阻R1導(dǎo)致了負(fù)反饋，增大了放大器的開環(huán)增益需求。R1通常盡量的大，以將反饋減到最小，同時克服上電時的電流泄漏。當(dāng)使用1MHz～20MHz的晶體時，R1應(yīng)該在1MΩ～10MΩ的范圍里。對于陶瓷共振器，R1一般用1MΩ。,許多MCU集成了反相放大器，用來與外部晶體或陶瓷共振器一起構(gòu)成皮爾斯(pierce)振蕩器結(jié)構(gòu)。,標(biāo)準(zhǔn)皮爾斯振蕩器結(jié)構(gòu)，晶體工作頻率:1MHz～20MHz,Crystal應(yīng)用關(guān)鍵參數(shù),振蕩頻率精度:Crystal:+/-10ppm~100ppm.(3,5ppm也有)Resonator:+/-2,000ppm~10,000ppm串連電阻Rs;串連電感Ls;串連電容Cs;并聯(lián)電容Cp:其中Rs影響振蕩，Ls,Cs,Cp(<7~10pF)影響精度。TypicalRef.(大概范圍，詳細請查供應(yīng)商資料)Rs<50kΩ@32768Hz,Rs<1kΩ@<2MHzRs<150Ω@1(正回授放大).PNPN兩端之電源必須能提供基本的Latch-up維持電流IH.Latch-up觸發(fā)的機制:Itn?URw?V-TRon?URs?L-TRon?moreURw?PNPNjunctionturnon.,Latch-up實例,從系統(tǒng)的角度看Latch-up,可能觸發(fā)ICLatch-up的因素︰1.IC的I/O端口有超過額定的高電壓(高于VDD+0.6V或者低于VSS-0.6V)，而導(dǎo)致基底電流。2.外加電源不穩(wěn)，電源的瞬間波動，由CΔVDD/Δt產(chǎn)生的暫態(tài)電流。3.外加電源(VDD-VSS)過大。4.大電流輸出腳，接到外部的電感性負(fù)載，產(chǎn)生瞬間的電動勢，導(dǎo)致基底電流。5.射線(X射線、γ射線等)照射IC。,系統(tǒng)對策防Latch-up,保持系統(tǒng)電源穩(wěn)定，大的Bulk電容，小的decoupling，Noiseby-pass電容不可省。大電流輸出I/O，注意Layout及Loading。必要時Powerline加串小電阻，I/O并聯(lián)Noiseby-pass電容。Reset電路、微分電路等易產(chǎn)生超過額定電壓的地方可增加反向的箝位二極管，限制過高或過低的電壓。改善電源，避免電源的阻抗過高(包括電源內(nèi)阻和引出線電阻)。,避免Latch-up三原則：1.Vin≤VDD，Vout≥VSS2.輸入、輸出電流<最高額定值3.VDD>1Ir=IC1+2IB=IC1(1+2/β1)=IC2(1+2/β2)=Iout(1+2/β)假設(shè)β>>1，則有：Iout=Ir=(VCC-UBE)/R3,下圖所示為鏡像電流源(CurrentMirrorSource)電路，其中Q1、Q2兩管特性完全一致。,可見，當(dāng)參考電流Ir的大小固定時，電流源輸出電流Iout也就相應(yīng)恒定；Ir改變，Iout也隨之改變。,AC負(fù)載控制,Digitalground,ACLine&VDD,,,Debugexperience,客戶問題處理,需對不良品、良品進行編號、功能檢驗、核對和保存。要保護好良品，對其進行操作需格外小心?？蛻魡栴}之書面分析。（不上電分析，動腦不動手）不良問題的復(fù)制。問題分析：隔離、簡化、找出問題點。,不良問題復(fù)制,改變電源電壓。改變CPU頻率。調(diào)整溫度高低。EV系統(tǒng)模擬。善用儀器。,問題分析建言,技術(shù)為本、膽大心細。不要被客戶所誤導(dǎo)，應(yīng)堅持獨立思考。不要先入為主，以免將問題的分析引向歧途。不要機械地照搬規(guī)則，要注意到規(guī)則本身的局限性，并靈活運用之。眼睛所見并不總是事實，要注意測試方法的合理性、儀器本身的誤差以及儀器接入后對原電路的影響。不要急于做實驗，要先進行理論分析，再通過實驗來驗證之。不要為復(fù)雜的表面現(xiàn)象所困，要透過現(xiàn)象看到本質(zhì)。不要拘泥于一些次要因素和枝節(jié)問題，要抓住問題的主要矛盾。要善于歸納總結(jié)，從繁多的實驗數(shù)據(jù)中找出規(guī)律性的東西。不要只看到一次不良現(xiàn)象就下結(jié)論，是問題就可以反復(fù)驗證，無法反復(fù)驗證即是尚未找到關(guān)鍵因素。熟記電路基本定律，以及常用元器件的特性。實事求是，不做假資料。,TheEnd,