Inhaltsübersicht. Einführung

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1 Inhaltsübersicht Einführung Operationsverstärker Grundlagen und Hilfsmittel des Entwurfs Design-Flow Synthese Analyse Modellierung VHDL-AMS SystemC,... Systemtheorie Übertragungsfunktionen Regelkreise Stabilität Abgetastete Systeme Bauelemente MOS-Transistor Struktureller Entwurf auf Transistorebene Verstärkerstufen Stromspiegel Endstufen Dimensionierung Ein-, Ausgangs-, Zwischenstufe OTA Robuster Entwurf Lineare Systeme Aktive Filter gmc-schaltungen Digitale Filter: IIR,FIR Nichtlineare Systeme Multiplizierer, ADC, DAC Oszillatoren,VCO,PLL Sensoren, Aktoren Licht, Akustik, Temperatur MEMS Systemarchitekturen Kommunikationssysteme Mikrokontroller Cyber-Physical Systems Nr.:1

2 Ebenen des Systementwurfs (heterogene Systeme) Toyota Prius Funktionskonzept Systemarchitektur Subsystem Q: modelica.org Komponente Q: E. Hennig, IMMS Nr.:2 2

3 Sensoren / Aktoren Ein Sensor nimmt physikalische Größen aus der Umwelt auf und macht sie dem System verfügbar Ein Aktor interagiert mit der Umwelt mit unterschiedlichen Wirkprinzipien Nr.:3

4 Sensoren- Einteilung Physikalisches Wirk- Prinzip elektrisch mechanisch h optisch magnetisch hydraulisch thermisch Fertigungstechnik Klassisch Halbleitertechnology Mikrosystemtechnik Mikromechanik Messgröße Licht, Strahlung Beschleunigung Feuchtigkeit Biometrische Daten Druck Temperatur Magnetfeld Annäherung / Abstand / Längen Winkel, Umdrehungen, Kraft, Drehmoment Transfer-Signal: i.d. Regel elektrisch Nr.:4

5 Aktoren - Einteilung Physikalisches Wirk-Prinzip elektrisch mechanisch optisch magnetisch hydraulisch thermisch Aktor-Größe Licht Mechanische Bewegung Temperatur Magnetfeld Elektrisches Feld Elektromagnetische Wellen Hydraulik Nr.:5

6 Druck-Sensor Pirani-Sensor (für geringe Drücke, bar) Prinzip: Wärmeleitung hängt von der Dichte der Luft ab Quelle: Hochschule Rhein-Main Nr.:6

7 Drucksensor II Verhaltensmodell: module drucksensor(nout, pout, p_in, vdd, n_gnd); electrical nout, pout, p_in, vdd, n_gnd ; parameter real beta = ; 00396; // Temp.koeeff. Pt [1/K] parameter real Rnull = 1.0e3; // Widerstand der Bruecke [Ohm] parameter real GL = ; // Waermeleitungs-Leitwert Bruecke [W/K] parameter real Gpnull = 240.0e-4; // Waermeleituns-Leitwert Gas (druckabhaengig) [W/k] parameter real sigma=5.67e-8; // [W/(m^2*K)] parameter real epsilon=0.5; // 0 Spiegel, 1 Schwarz parameter real A=0.001*0.001; // Flaeche in m^2 parameter real Traum=300; // Raumtemperatur [K] real deltat, ub, RK, RM, Gp, T, Gstr; electrical n_int; analog begin ub = V(vdd,n_gnd); RK = Rnull*1.00; T = (V(n_int,n_gnd)+Traum); GStr = epsilon*sigma*a*t*t*t*t; Gp = Gpnull*V(p_in,n_gnd); I(n_int) <+ 1*V(n_int,n_gnd) 1/(GL+GStr+Gp)*ub*ub/(4*Rnull)*(1.0+beta*V(n_int,n_gnd))/(1.0+beta*V(n_int,n_gnd)/2.0); deltat = V(n_int,n_gnd); RM=Rnull*(1.0+beta*deltaT); I(pout) <+ (V(vdd,pout))/RM( V(pout,n_gnd)/RK; I(nout) <+ V(vdd,nout)/Rnull V(nout,n_gnd)/Rnull; end endmodule Nr.:7

8 Rotations-Encoder Absoluter Winkel wird enkodiert Schnell, bis zu U/min Z.B. Optisch (Bild) 3-Bit Decodierung Gray-Code Nr.:8

9 Rotations-Encoder II Oder mit Hall-Effekt: Auto: ABS (nur als 2 Phasen- versetzte Rechtecksignale) Nao: 12 Bit Präzision 0,1 NS Nr.:9

10 Gyroscope Deutlicher Performancegewinn alle 2 Jahre Einsatz in Smartphone, Airbag(1-2Accelerometer), ESP, Nao Nao hat 2 Gyrometer, 2 Accelerometer 3 Dreh und 3 Beschleunigungsachsen möglich Nr.:10

11 Prinzipien von Gyroscopen Newton: F=m*a => Kraft proportional zur Beschleunigung Beschleunigungssensor Gyroscope misst die Drehbeschleunigung Drei Prinzipien: Kreisel: Verkippung bewirkt Kraft im 90 Winkel - Ein Kreisel ist schwer in MEMS umzusetzen. Optisch Zeitdifferenz in langen Glasfaserkabeln auf Spulen aufgewickelt. - Teuer aber gut = Flugzeuge, Zigarrenkisten groß Vibrierende i Masse Basiert auf dem Coriolis Effekt - In MEMS verbreitet genutzt Nr.:11

12 Aufbau eines vibrierenden Gyroscopes Komponenten: Feder, Masse, Kapazitive Auslenkung Kapazitive Messung Masse wird zum Oszillieren gebracht x Sensitiv zur Drehung um die z-achse Induzierte Coriolis Beschleunigung g in Richtung der y-achse [K. Elliot, P. Gupta 2002] Nr.:12

13 Tatsächlicher Aufbau Coriolis-Kraft: F c = 2mv F c Coriolis Kraft m Masse v Lineare Geschwindigkeit - Winkelgeschwindigkeit Messmethoden Kapazitiv Piezoresistiv [K. Elliot, P. Gupta 2002] [I Iphone-Gy yroscope] Nr.:13

14 Auslegung g Skalierungsfaktor: Ausgangs-Wechselspannung pro Winkelgeschwindigkeit [V/( /s)] Offset: Ausgangsspannung trotz 0 Drehung. Gründe: Rauschen Mechanische Ungenauigkeiten Drift Beispiele: Drehratensensor / Gyroskop: Sensitivität: 200uV/ /s /s Genauigkeit: 5 /s Nr.:14

15 Herstellung von MEMS Abscheiden einer strukturierten dünnen Schicht aus LPCVD Siliziumnitrid. (dient als als Isolierung und Dielektrikum Trockenätzen mit Deep Reactive Ion Etch (DRIE). Dies formt die tiefen Gräben mit glatten und geraden Seitenwänden. Abscheiden einer Opferschicht aus Silizium-Oxid. Füllen der Gräben mit Poly-Silizium. Nr.:15

16 Herstellung von MEMS II Abscheiden und Strukturieren von Chrom und Gold Einbringen eine weiteren Opferschicht und Abscheiden von Polysilizium Anisotropes und isotropes Trockenätzen um die Silizum-Mess-Elektroden freizulegen Das Opfer-Oxid O wegätzen um die Kapazitäten und sonstigen Strukturen freizulegen Nr.:16

17 Optische Sensoren CCD: Beliebig komplexe aber auch kleine Varianten Nr.:17

18 Weitere Sensoren Biomedizinische DNA-Rezeptor-Arrays Hochfrequenz-Spulen RFID Kernspintomographie Nr.:18

19 Aktoren: Servo Servo (Modellbau) Regelschleife Winkelmessung durch Potentionmeter Nr.:19

20 Servo Regelung g in den Gelenken eines Roboters Servo Winkelmessung durch Hall-Geber Komplexe- Regelschleife [C. Graf, A. Härtel, Bremen] Nr.:20

21 Motor-Ansteuerung für einen DC-Motor DC-Motor / Brushed Motor Dauermagnet Nr.:21

22 3-Phasen Ansteuerung Asynchron-Motor / Brushless Leistungsfähiger, leichter, verschleißfreier Nr.:22

23 3-Phasen Ansteuerung g( (vergrößert) Nr.:23

24 Weitere Aktoren Piezo-Kraft/Wegaktoren Mikropositionierung Ventile Mikropumpen Tintenstrahldrucker Medikamentenzufuhr Direkte magnetische Aktoren Ventile ABS, Motor usw. Nr.:24