M. Haley: 'Reduktion von Layout- und Störproblemen in tragbaren Geräten'

<BODY> <H1>www.duv24.net : M. Haley: 'Reduktion von Layout- und Störproblemen in tragbaren Geräten'</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>20.11.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Fairchild Semiconductor GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>M. Haley: 'Reduktion von Layout- und Störproblemen in tragbaren Geräten'</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Anwendungsbeispiel für einzelne Logikfunktionen in kleinen Gehäuseformen</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent> <TABLE WIDTH=1 BORDER=0 ALIGN=left CELLPADDING=0 CELLSPACING=0> <TR> <TD><IMG width=150 border=0 src="http://www.publish-industry.net/publish-industry/company-resources/publish-industry-master_1273184627.jpg"></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailBildunterschrift></TD> </TR> </TABLE> Erschienen im <font color=#0000FF>DESIGN & VERIFICATION NR.6 2001 S. 18</font><br><br><BR>in der <a href="#toolbox" style="color:red;"><b>'toolbox'</b></a> unter dieser Meldung können Sie, als registrierter USER,<BR>zu dem Fachbeitrag mit dem<BR><ul><li>'details-Button' - eine Vollversion mit allen Bildern als pdf-Datei downloaden</li><BR><li>'Email-Button' - per E-Mail direkten Kontakt zum Ansprechpartner aufnehmen</li><BR><li>'discuss it-Button' - den Beitrag mit Anderen in einem Forum diskutieren</li></ul><BR>Sollten Sie noch kein registrierter User sein, können Sie das sofort und kostenfrei in der linken Spalte nachholen!<br><br><BR>Martin Haley ist Senior Field Applications Engineer bei Fairchild Semiconductor.<BR><BR>Trotz fortschreitender Integration hat die Bedeutung von Einzelgatterbausteinen nicht abgenommen. Der ständige Druck, tragbare Geräte weiter zu verkleinern, führt häufig dazu, dass Entwickler nur die Funktionen auf einer Leiterplatte platzieren können, die auch wirklich von der Anwendung benötigt werden. Hier bieten Einzelgatterbausteine deutliche Vorteile gegenüber in einem Gehäuse integrierten Achtfach- oder Vierfach-Funktionen.<BR><BR>Historisch erfolgte die Gruppierung von Logikfunktionen in Achtfach- und Vierfach-Funktionen. Erforderte die Anwendung nur ein Gatter, dann wurde der Rest nicht verwendet und über Widerstände mit der Versorgungsspannung oder mit Masse verbunden. Als Konsequenz wurde auf der Platine viel Platz verschwendet. Auch wenn diskrete Logikbausteine mit ‚Einzelgattern‘ schon lange verwendet werden, um bei vorhandenen ASICs die Funktionalität zu erweitern oder ein Problem zu beheben, tendieren gerade Entwickler aktueller Produkte wie tragbarer Geräte dazu, vermehrt Einzelgatterlogik wegen der erreichbaren Vorteile zu verwenden: Die Gatter werden genau dort platziert, wo sie gebraucht werden, das minimiert nicht nun den Platzbedarf, den Stromverbrauch und die Kosten, sondern auch die Länge der Leiterbahnen. Das Hinzufügen einzelner Logikfunktionen in einem fünfpoligen SOT23-5- oder SC70-5-Gehäuse bleibt eine Platz sparende Alternative im Vergleich zu einem Baustein mit Vierfach-Gattern in einem 14-Pin-Gehäuse. Zu Beginn der digitalen Revolution waren Einzelgatter nur in SOT23-5-Gehäusen, die mit fünf Anschlüssen ausgestattet sind, verfügbar. In diesen Gehäusegrößen fand nur eine begrenzte Zahl von Funktionskombinationen Platz wie UND, ODER und exklusives ODER zusammen mit einem einzelnen Inverter und Buffer. Die Evolution der Gehäuse- und Halbleitertechnik hat dazu geführt, dass die gleichen Funktionen immer weniger Fläche auf der Leiterplatte belegen. Waren für ein SOT23-5 noch 8,1 mm2 nötig, konnte mit der Verfügbarkeit der SC70-5-Gehäuse eine Platzeinsparung von nahezu 50 Prozent erreicht werden. Durch Hinzufügen eines sechsten Anschlusses in der Mitte des SC70-Gehäuses konnte die Funktionalität nochmals verdoppelt werden, ohne den Platzbedarf auf der Platine zu erhöhen (Abb. 1). Zudem werden die Randbedingungen für die Fertigung nicht verletzt, da der Abstand der Anschlüsse für beide Typen identisch ist. Die Option mit sechs Anschlüssen ermöglichte die Integration von Funktionen wie zum Beispiel Flip-Flops und Latches, die früher nur in 14-poligen Gehäusen verfügbar waren. Die nächste Entwicklung bestand im achtpoligen Gehäuse, das Platz für zwei Gatter bot.<BR><BR>Auf Durchfluss ausgerichtete Designmethodik<BR><BR>Durch eine optimierte Anschlussbelegung gelang es, die Komplexität der Leiterbahnführung selbst für Bauteile mit sechs und acht Anschlüssen zu reduzieren. Die sechspoligen Zweifach- Buffer und -Inverter sind nach dem ‚Durchfluss‘-Konzept ausgelegt, um die Leiterbahnen so kurz wie nur möglich zu halten: Die Signale führen auf der linken Seite in den Baustein, die Ausgänge befinden sich auf der rechten Seite. Dieses Prinzip wurde auch auf die Zweifach-Switches in achtpoligen Gehäusen übertragen. Sie eignen sich daher für den Einsatz z.B. in Docking-Stations, wo hohe Leiterbahndichten und Stecker mit geringem Kontaktabstand gefragt sind. Der Einsatz des US8-Gehäuses mit 0,5-mm-Pin-Pitch liegt durchaus innerhalb der für die Massenproduktion gesetzten Anforderungen und benötigt dabei die geringste Fläche auf der Leiterplatte. Wird der Pin-Pitch dagegen auf 0,4 mm (wie beim TVSOP) oder weniger reduziert, sinkt die Fertigungsausbeute dramatisch. Deshalb findet das TSSOP-Gehäuse mit 0,65-mm- Pin-Pitch gegenüber dem TVSOP-Gehäuse für bedrahtete Komponenten eine viel weitere Verbreitung.<BR><BR>Anwendungsbeispiele für einfache Logikfunktionen<BR><BR>Invertierung und Buffern von Signalen<BR><BR>Einzelgatter-Logik wurde anfänglich in erster Linie für die Invertierung oder das Buffern von Signalen eingesetzt. Wie bereits aufgezeigt, können so kürzeste Leiterbahnen und damit übersichtliches Layout erreicht werden (Abb. 2). Gleichzeitig ist die Schaltung weniger störanfällig. Letzteres beruht auf der Möglichkeit, den Buffer-Ausgang nahe an der Stelle zu platzieren, wo das Signal benötigt wird, und dadurch Leitungseffekte zu minimieren. Dieser Faktor ist speziell beim Buffern von Taktsignalen entscheidend, um Übersprechen auf benachbarte Leiterbahnen zu verhindern (Abb. 3). Denn selbst eine Optimierung der Leiterbahnführungen kann nicht immer vermeiden, dass Taktsignale über lange Strecken geführt werden müssen, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das Taktsignal stört oder selbst gestört wird. Ein Beispiel für das Buffern von Taktsignalen sind RAS- und CAS-Signale für große DRAM-Arrays in Laptops. Ein Schmitt- Trigger, wie zum Beispiel der NC7SZ14, nahe der Stelle platziert, wo das Taktsignal benötigt wird, sorgt für die Einhaltung des erforderlichen Signalpegels und verbessert die Flankensteilheit des Signals.<BR><BR>Byte Swapping<BR><BR>‚Byte Swapping‘ ist eine Anwendung, bei der einfache Multiplexer eingesetzt werden (Abb. 4). Byte Swapping kommt häufig in Systemen vor, die sowohl nach dem Little-Endian- als auch nach dem Big-Endian-Protokoll arbeiten können. Wird der Multiplexer mit einem ‚High‘- Signal angesteuert, kann das höherwertige Byte aktiviert werden, das Anlegen eines ‚Low‘-Signals schaltet den Multiplexer auf das niederwertige Byte um. Byte Swapping lässt sich zwar auch in Software realisieren, Hardware ist aber schneller und hält den Prozessor für komplexere Funktionen frei.<BR><BR>Spannungsumsetzung<BR><BR>Spannungsumsetzung ist ein weiteres Einsatzfeld für Einzelgatter. Eine Umsetzung von 5 V auf 3,3 V kann mit einem einzigen Switch, z.B. vom Typ NC7SZD384P5, realisiert werden. Spannungsumsetzer können natürlich auch verwendet werden, um aus einem 3,3-V-Eingangssignal ein 5-V-Signal zu generieren.<BR><BR>Taktaufbereitung<BR><BR>Taktaufbereitung ist ein weiteres wichtiges Thema. Schmitt-Trigger mit extrem kurzen Laufzeiten, typischerweise 2,0 ns, eignen sich besonders zur Verbesserung der Flankensteilheit. Durch den Einsatz eines NC7SZ374 zusammen mit einem Inverter lässt sich zudem einfach eine Teilerschaltung mit dem Faktor 2 aufbauen. Die Baureihe ‚Z‘ von Fairchild kann zudem aus einem kleinen sinusförmigen Eingangssignal ein Rechtecksignal generieren.<BR><BR>Schaltfunktion<BR><BR>Die Type NC7SZ175 ist ein einzelnes Flip-Flop in einem kleinen sechspoligen SC70-Gehäuse, das für Einschaltfunktionen zur Anwendung kommen kann. Es kann zum Ersatz von Zweifach- Flip-Flops in räumlich beengten Systemen wie PDAs, Laptops oder Handys überall dort verwendet werden, wo eine Schaltung für Power- On oder Reset benötigt wird. Die Umschaltung zwischen schnellem und langsamem Systemtakt ist bei Schaltungen nützlich, die einen Stand-by-Mode haben sollen. Bisher waren dafür zwei Switches oder zwei Buffer mit Enable-Pin sowie ein Inverter erforderlich, um die Polarität des Enable-Anschlusses umzuschalten. Jetzt kann dies durch den Einsatz eines einzigen Mux/Demux-Switches erreicht werden.<BR><BR>Signalverdopplung<BR><BR>Bei der Entwicklung eines ASICs ist oft wünschenswert, mehr Pins für Funktionen wie zum Beispiel ‚Chip Select‘ zur Verfügung zu haben. Ist der ASIC ‚pin-limited‘, dann besteht eine Option darin, einen externen Baustein zur Erzeugung eines weiteren Chip-Select-Signals einzusetzen. Das spart Ausgangspins beim ASIC. Besteht die Wahlmöglichkeit zwischen ASICGehäusen mit 100 und 120 Pins, sollte der Entwickler auch die erreichbare Kosteneinsparung bedenken.<BR><BR>Analogsignalumschaltung<BR><BR>Die Umschaltung von Analogsignalen ist ein weiteres Feld, in dem sich einfache Logikelemente bewähren: Analogschaltungen müssen oft sehr störungsarm arbeiten und von benachbarten bzw. digitalen Schaltkreisen isoliert sein. Der Einsatz von Einzelgattern an den kritischen Stellen reduziert Übersprechen, Überschwinger und Leitungseffekte. Der NC7SB- 3157 ist ein analoger Mux/Demux, der oft in Audioanwendungen zum Einsatz kommt. Er kann z.B. in einem Handy, zum Umschalten zwischen dem eingebauten und dem Mikrofon der Freisprechanlage verwendet werden, wenn das Handy in die Halterung gesteckt wird.<BR><BR>Konfigurierbare Bausteine mit<BR>SC70-Gehäuse<BR><BR>Die neuesten Entwicklungen in sechspoligen SC70-Gehäusen sind konfigurierbare Bausteine, die zwei oder drei herkömmliche Produkte ersetzen können. Indem Anschlüsse auf ‚High‘ oder ‚Low‘ gesetzt werden, können verschiedene Logikkombinationen gewählt werden. Gegenüber Standardlogik erreicht man damit viele Vorteile, da konfigurierbare Teile zwei oder mehr Standardbausteine ersetzen können. So lässt sich bis zu dreimal so viel Layoutfläche einsparen. Statt drei Bauteilen muss nur eines den Qualifikationsprozess durchlaufen. In der Entwicklung kann man Muster des gleichen Typs verwenden, um mehrere unterschiedliche Logikprobleme zu lösen. Wenn man eine Umschaltung des entsprechenden Anschlusses vorsieht, kann das Bauteil zwei verschiedene Funktionen erfüllen und damit lässt sich die Funktionsdichte pro Fläche in großem Maße nach oben treiben. Fertigungslinien könnten mehr Bauteile vom gleichen Typ verwenden, die Stückzahlen wären also größer und die Bausteinkosten daher geringer als für Standardteile. Es gäbe auch weniger Typenvielfalt zu bevorraten.<BR><BR>Abb. 3: Anwendungsbeispiel für Einzelgatterlogik: ‚Byte Swapping‘ Abb. 2: Einzelgatterlogik reduziert Leiterlängen und damit die Wahrscheinlichkeit für Signalstörungen.<BR>Abb. 4: Anwendungsbeispiel für Einzelgatterlogik: Verdopplung eines ‚Chip-Select‘-Signals<BR><BR>more @ click DV61202<a name="toolbox"></a ><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:12 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>