Mosbius：アナログ設計学習の変換

デジタルシステムのデザインの学習に関しては、愛好家と学生には、フィールドプログラム可能なゲートアレイをいじくり回したり、小さなテープアウトランのためのチップの提出物を作動させるかどうかにかかわらず、多くの選択肢があります。しかし、アナログ設計のための同様のツールを手に入れるのは難しいです。確かに、LTSPICEのようなシミュレータでアナログ回路を作成し、理論に対してそれらをテストできます。しかし、本物のアナログ回路の構築と、理論的ではなく実際の行動を測定することに勝るものはありません。テスト機器はまさに測定に影響を与える可能性があるため、アナログ設計では測定が複雑です。

この教育ギャップに対処するために、コロンビア大学の電気工学部に私が率いるチームは、あなたがフィールドプログラム可能と考えることができるブレッドボードに優しいチップであるモスビウスを作成しました トランジスタ アナログ設計用の配列。

関連している： 独自の巨大な555タイマーチップを構築します

その名前が示すように、Mosbiusは金属酸化物の陰導体トランジスタを中心に構築され、で分割されます n-Typeおよび p-Typeトランジスタ。これらは今日のほとんどのアナログ統合回路の構成要素であるため、Mosbiusでの設計は、実際のチップの作成に直接関連する体験を提供します。

Mosbiusには68個のピンがあり、そのうち63個は個々のトランジスタまたは現在のミラーやOp-amp段階などの一般的なアナログサブサーキットに接続しています。他の2つのピンは、正と負の電源電圧に使用されます。

モスビウスチップ [top left] 多くのアナログシステムに必要なすべてのトランジスタが含まれています。印刷回路基板を介してブレッドボードに取り付けられています [middle]、離散抵抗とコンデンサ [bottom] 他の必要なコンポーネントを提供するために配線されています。 Raspberry Pi Pico [bottom right] モスビウスのプログラムに使用されます。ジェームズ・プロボスト

残りの3つのピンは、内蔵スイッチマトリックスのプログラミングに使用されます。あなた できる ピンを外部ワイヤと接続して、モスビウスで回路を作成します。ただし、スイッチマトリックスを使用する方が簡単です。これにより、65のトランジスタ、サブサーキット、電圧ピンのいずれかを10の内部バスの1つ以上に接続できます。マトリックスは、650ビットの単純なストリームでクロッキングすることによりプログラムされています。バスとピン間の可能な接続ごとに1ビットです。

単純なJSONテキストファイルを目的のビットストリームに変えるPythonスクリプトを実行しているRaspberry Pi Picoを使用して、Mosbiusのマトリックスをプログラムします。ただし、必要に応じて、Pythonをサポートする3.3ボルトのマイクロコントローラーをほぼ使用できます。

Mosbiusは2.5 Vで動作します。ピンをはんだの830接触ブレッドボードに接続するために使用される印刷回路基板は、マトリックスをプログラミングするときにPicoの3.3 Vを下にシフトします。 PCBには、バイアスおよび過電圧装備回路も含まれます。

統合された回路コンポーネントは、離散コンポーネントとどのように異なりますか？

Mosbiusにはトランジスタのみが含まれているため、抵抗器やコンデンサなどの回路要素は、ブレッドボードに挿入された穴のコンポーネントとして外部に配線されています。これらの外部コンポーネントを使用すると、たとえば金属膜やセラミック素材ではなく、シリコンから構築されたオンチップ抵抗器とコンデンサがある実際の類似ICの動作の不正確な近似が生じると思われるかもしれません。

しかし、メガヘルツについての下の信号速度では、実際の問題は、これらの外部コンポーネントが 過度に 正確な。 （1 MHzを超えると、ブレッドボードの迷走容量のようなものが問題になり始めます。）安価なスルーホール抵抗器でさえ、それが主張する値の5〜10％以内の実際の抵抗を持ち、1％の精度のあるスルーホール抵抗器が一般的です。対照的に、統合されたコンポーネントは、名目価値から30％変化することができます。

その結果、かなりの量の内部マージンで実際のアナログ回路を構築する必要があります。これを行うスキルを開発することは、入力信号とコンポーネント値が異なるため、回路内のさまざまなポイントで何が起こっているかを理解することに依存しています。そして、それは現実世界の測定を行う必要があります。

あなたの回路が生き返るのを見る「aha」の瞬間は、方程式が忘れられてからずっと残ります。

シミュレートされた回路では、任意のノードをクリックして、回路の動作に影響を与えることなくパラメーターを読み取ることができます。 Mosbiusを使用すると、回路内のほぼすべてのノードに同様にアクセスできますが、測定するためにテストプローブを配線すると回路の動作が変わる可能性があるという現実に直面しています。測定を行う最もエレガントな方法を把握することは、シリコンにコミットしているアイデアを見たいと思っている人にとって重要です。 あなたのサーキットが来るのを見る「AHA」の瞬間 人生には、方程式の後も長く留まります 分析は忘れられています

Mosbiusの統合回路設計の内臓の内側を突くようにする能力は、3つのFives Disclete Timerキットからインスピレーションを得ています。これは、個別のコンポーネントを使用して、最も人気のある統合サーキットの1つである555の仕組みを再現します。ハードウェア、点滅LED。

金属酸化物トランジスタと一般的に使用されるサブサーキューは、Mosbiusチップのほとんどのピンに接続されています。また、マイクロコントローラーから650ビットストリームを使用してプログラムされたバスのセットを使用して、内部的に結合することもできます。 ジェームズ・プロボスト

Mosbiusの起源は偶然でした。製造する学生のICプロジェクトのセットを準備している間、配送期限を満たすことができればもう1つのチップをバッチに絞る余地があることに気付きました。 6週間後、Mosbiusは生産に出かけました！

この限られた実行から、合計150チップ – Mosbiusキットを150米ドル（変更の対象と、単にコストを回収するためだけ）で、それをラボに持ち込むことに関心のある他の教育者に利用できるようにしています。また、改訂版にも取り組んでいます。 Mosbiusは、学部生に適したものから大学院レベルのプロジェクトに至るまで、複雑さの範囲の回路を作るために使用できます。 Webサイトには、チュートリアルの完全なセットとラボ実験マニュアルがあります。キットを入手することに興味がある場合は、サイトから私に連絡できます。

私たちは利用可能な少数のキットしか持っていないことを理解しています – 私たちは結局、半導体メーカーではなく、大学の部門であり、将来の教育者と愛好家の両方がMosbiusをより広く利用できるようにしたいと考えています。それを実現するための最良の方法は、私に連絡することです。なぜなら、強い需要は私たちが商業パートナーに提示できるものだからです！