微型化与低功耗设计技术1

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1、第三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

2、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10-9m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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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，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。早期的电荷泵变换器是以ICL7600为基础，其缺点是：输出电流小