موسبيوس: تحويل تعلم التصميم التناظري
عندما يتعلق الأمر بتعلم تصميم النظام الرقمي ، فإن الهواة والطلاب لديهم الكثير من الخيارات ، سواء كانت العبث بمصفوفات بوابة قابلة للبرمجة في المجال أو تقديم عرض رقاقة لتشغيل Tapeout صغير. ولكن كان من الصعب الحصول على أدوات مماثلة للتصميم التناظري. بالتأكيد يمكنك إنشاء دوائر تمثيلية في جهاز محاكاة مثل Ltspice واختبارها ضد النظرية. لكن لا شيء يتفوق على بناء دوائر تمثيلية حقيقية وقياس سلوكها الفعلي وليس النظري. القياس معقد للتصميمات التناظرية لأن معدات الاختبار يمكن أن تؤثر على القياس الذي يتم إجراؤه.
لمعالجة هذه الفجوة التعليمية ، قام فريق بقيادة لي في قسم الهندسة الكهربائية بجامعة كولومبيا ، بإنشاء Mosbius ، وهي شريحة صديقة للذبيحة يمكنك التفكير فيها كبرنامج ميداني قابل للبرمجة الترانزستور صفيف للتصميمات التناظرية.
كما يوحي اسمه ، تم بناء موسبيوس حول الترانزستورات المعدنية الأكسيد-الموصل ، مقسمة بين ن-type و ص-الترانزستورات. نظرًا لأن هذه اللبنات الأساسية لمعظم الدوائر المدمجة التناظرية اليوم ، فإن التصميم مع Mosbius يوفر تجربة ذات صلة مباشرة بإنشاء رقائق حقيقية.
يحتوي Mosbius على 68 دبوسًا ، منها 63 متصلًا إما الترانزستورات الفردية أو الدوائر الفرعية التناظرية الشائعة مثل المرايا الحالية ومراحل OP-AMP. يتم استخدام اثنين من المسامير الأخرى لفولتية العرض الإيجابية والسلبية.
رقاقة موسبيوس [top left] يحتوي على جميع الترانزستورات المطلوبة للعديد من الأنظمة التناظرية. مثبتة على لوح عبر لوحة دائرة مطبوعة [middle]، المقاومات والمكثفات المنفصلة [bottom] سلكية لتوفير مكونات أخرى مطلوبة. توت العليق بي بيكو [bottom right] يستخدم لبرمجة موسبيوس.جيمس بروفوست
يتم استخدام دبابيس الثلاثة المتبقية لبرمجة مصفوفة التبديل المدمجة. أنت يستطيع قم بإنشاء دوائر مع موسبيوس عن طريق توصيل المسامير بالأسلاك الخارجية. ولكن من الأسهل استخدام مصفوفة التبديل. هذا يمكن أن يربط أي من دبابيس الترانزستور 65 ، الدائرة الفرعية ، ودامن الجهد بواحد أو أكثر من 10 حافلات داخلية. تتم برمجة المصفوفة عن طريق التسجيل في دفق بسيط من 650 بت – واحد بت لكل اتصال ممكن بين ناقل ودسم.
نقوم ببرمجة مصفوفة Mosbius باستخدام Raspberry Pi Pico يقوم بنص Python الذي يحول ملفًا نصيًا بسيطًا JSON إلى Bitstream المطلوب. إذا كنت تريد ، على الرغم من ذلك ، يمكنك استخدام أي متحكم 3.3 فولت الذي يدعم Python.
يعمل Mosbius بسرعة 2.5 فولت. لوحة الدائرة المطبوعة المستخدمة لتوصيل المسامير بلقب اللوحة 830 التي لا تلميح 830 تعمل على تحويل 3.3 فولت عند برمجة المصفوفة. يتضمن ثنائي الفينيل متعدد الكلور أيضًا التحيز ودوائر حماية الجهد الزائد.
كيف تختلف مكونات الدائرة المدمجة عن المكونات المنفصلة؟
نظرًا لأن Mosbius يحتوي على ترانزستورات فقط ، يتم توصيل عناصر الدوائر مثل المقاومات والمكثفات خارجيًا حيث يتم إدخال مكونات من خلال الفتحة في لوح الخبز. قد تعتقد أن استخدام هذه المكونات الخارجية من شأنه أن يخلق تقريب غير دقيق لسلوك IC التناظرية الحقيقية ، والذي يحتوي على مقاومات ومكثفات على الرقاقة المبنية من السيليكون بدلاً من ، على سبيل المثال ، فيلم معدني أو مادة سيراميك.
ولكن بسرعات الإشارة أدناه حول Megahertz ، القضية الفعلية هي أن هذه المكونات الخارجية بشكل مفرط دقيق. (أعلى من 1 ميغاهيرتز ، تبدأ أشياء مثل السعة الطائكة في لوح الخبز في أن تصبح مشكلة.) حتى المقاوم الرخيص من خلال الفتحة سيكون له مقاومة فعلية تتراوح ما بين 5 إلى 10 في المائة من القيمة التي تدعي أنها ، ومقاومات الفتحة ذات الدقة 1 في المائة شائعة. على النقيض من ذلك ، يمكن أن تختلف المكونات المتكاملة بسهولة بنسبة 30 في المائة من قيمتها الاسمية.
وبالتالي ، يجب بناء الدوائر التناظرية الحقيقية مع كمية كبيرة من الهامش الداخلي. يعتمد تطوير المهارة للقيام بذلك على فهم ما يجري في نقاط مختلفة داخل الدائرة ، حيث تختلف إشارات الإدخال وقيم المكونات. وهذا يتطلب إجراء قياسات في العالم الحقيقي.
ستبقى لحظة “آها” لرؤية دائرتك في الحياة بعد فترة طويلة من نسيان المعادلات.
في دائرة محاكاة ، يمكنك النقر فوق أي عقدة وقراءة أي معلمة دون التأثير على سلوك الدائرة بأي شكل من الأشكال. مع Mosbius ، يمكنك بالمثل الوصول إلى كل عقدة تقريبًا في الدائرة ، ولكنك الآن تواجه حقيقة أن توصيل تحقيقات اختبار لإجراء قياس يمكن أن يغير سلوك الدائرة. يعد معرفة الطريقة الأكثر أناقة لإجراء القياسات مفتاحًا لأي شخص يأمل في رؤية أفكاره ملتزمة بالسيليكون. ال لحظة “آها” لرؤية دائرتك تأتي إلى الحياة ستبقى لفترة طويلة بعد المعادلات ويتم نسيان التحليل
إن قدرة موسبيوس على السماح للأشخاص بالتجول داخل الشجاعة في تصميم الدائرة المتكاملة ، تستلهم من مجموعة الموقتات المنفصلة الثلاثة FIVES ، والتي تستخدم مكونات منفصلة لإعادة إنشاء أعمال واحدة من أكثر الدوائر المتكاملة شعبية على الإطلاق ، وهي 555. من الأجهزة ، LED الوامض.
يتم توصيل ترانزستورات أكسيد المعادن والدوائر الفرعية الشائعة الاستخدام بمعظم دبابيس رقاقة موسبيوس. يمكن أيضًا توصيلها داخليًا باستخدام مجموعة من الحافلات المبرمجة باستخدام دفق 650 بت من متحكم. جيمس بروفوست
كان أصل Mosbius مصادفة: أثناء إعداد مجموعة من مشاريع الطلاب التي يجب تصنيعها ، أدركنا أن لدينا مجالًا للضغط على رقاقة أخرى في الدفعة إذا تمكنا من تلبية الموعد النهائي للشحن. بعد ستة أسابيع ، كان موسبيوس خارج الإنتاج!
من هذا المدى المحدود – 150 رقائق في المجموع – نقوم بإتاحة مجموعات موسبيوس بسعر رمزي قدره 150 دولارًا أمريكيًا (مع مراعاة التغيير ولمجرد استرداد تكاليفنا) للمعلمين الآخرين المهتمين بإحضارها إلى مختبراتهم. نحن نعمل أيضًا على نسخة منقحة. يمكن استخدام موسبيوس لصنع دوائر تتراوح في التعقيد من تلك المناسبة للطلاب الجامعيين إلى المشاريع على مستوى الدراسات العليا. يحتوي موقع الويب على مجموعة كاملة من البرامج التعليمية ودليل تجارب معمل جاهز للذهاب. إذا كنت مهتمًا بالحصول على مجموعة ، فيمكنك الاتصال بي من خلال الموقع.
أدرك أن لدينا عددًا صغيرًا فقط من المجموعات المتاحة – نحن في جميع أنحاء قسم الجامعة ، وليست شركة تصنيع أشباه الموصلات – لكننا نريد أن نجعل موسبيوس متاحًا على نطاق أوسع لكل من المعلمين والمتحمسين في المستقبل. أفضل طريقة لتحقيق ذلك هي الاتصال بي ، لأن الطلب القوي هو شيء يمكننا تقديمه إلى شريك تجاري!
من مقالات موقعك
المقالات ذات الصلة حول الويب
