Mosbius: преобразование аналогового дизайнерского обучения

Когда дело доходит до обучения проектированию цифровой системы, любители И у студентов много вариантов, будь то возиться с полевыми массивами ворот. или работать подчинкой чипа для Крошечная магнитоспособность бегать. Но аналогичные инструменты для аналогового дизайна были труднее найти. Конечно, вы можете создать аналоговые схемы в симулятор, такой как ltspice и проверить их против теории. Но ничто не сравнится с построением реальных аналоговых цепей и измерения их фактического, а не теоретического поведения. Измерение сложнее для аналоговых конструкций, потому что испытательное оборудование может повлиять на то само измерения.

Чтобы устранить этот разрыв в образовании, Команда возглавляла меня в Кафедра электротехники Колумбийского университета созданный Мосбиусудобный чип, который вы можете думать как программируемый на полевых условиях транзистор массив для аналоговых дизайнов.

СВЯЗАННЫЙ: Постройте свой собственный гигантский фип с таймером 555

Как следует из названия, Мосбиус построен вокруг металлического оксид-семинардатора транзисторыразделен между не-type и п-type транзисторы. Как это строительные блоки большинства аналоговых интегрированные цепи Сегодня проектирование с Mosbius обеспечивает опыт, который непосредственно имеет отношение к созданию реальных чипов.

Мосбиус имеет 68 контактов, из которых 63 соединяются с отдельными транзисторами или общими аналоговыми подсудами, такими как текущие зеркала и Оп-Амп стадии Два других контакта используются для положительного и отрицательного напряжения питания.

Чип Мосбиуса [top left] Содержит все транзисторы, необходимые для многих аналоговых систем. Монтируется на макет через печатную плату [middle]дискретный резисторы и конденсаторы [bottom] подключены, чтобы обеспечить другие необходимые компоненты. А Raspberry Pi Пико [bottom right] используется для программирования Мосбиуса.Джеймс Провост

Оставшиеся три булавки используются для программирование встроенная матрица выключателя. Ты может Создайте цепи с Mosbius, подключив булавки с внешними проводами. Но легче использовать матрицу переключения. Это может соединить любые из 65 транзисторов, подкорт и контактов с одним или несколькими из 10 внутренних автобусыПолем Матрица запрограммируется путем снятия в простом потоке 650 бит – по одному для каждого возможного соединения между шиной и булавом.

Мы программируем матрицу Мосбиуса, используя Raspberry Pi Pico бег а Питон сценарий, который превращает простой json текстовый файл в нужный битПолем Однако, если вы хотите, вы можете использовать практически любой 3,3-вольтовый микроконтроллер, который поддерживает Python.

Мосбиус работает на уровне 2,5 В. Печатная плата, используемая для подключения контактов к Без припаяна 830-контактный макет Сдвигает 3,3 В пико вниз при программировании матрицы. Печатная плата также включает предвзятость и схемы защиты от напряжения.

Чем интегрированные компоненты схемы отличаются от дискретных компонентов?

Поскольку Mosbius содержит только транзисторы, элементы схемы, такие как резисторы и конденсаторы, подключаются внешне, так как компоненты сквозной лунки вставлены в макет. Вы можете подумать, что использование этих внешних компонентов создаст неточное приближение поведения реального аналогового IC, в котором встроенные резисторы и конденсаторы, построенные из кремния, а не, скажем, металлическая пленка или керамический материал.

Но при скорости сигнала ниже о мегахерце фактическая проблема заключается в том, что эти внешние компоненты чрезмерно точный. (Выше 1 МГц, такие вещи, как бродячие емкости макета, начинают становиться проблемой.) Уже дешевый резистор из сквозного сквозного сквозного сквозного человека будет иметь фактическое сопротивление, которое находится в пределах 5-10 процентов от того, что он утверждает, и резисторы сквозного отверстия с точностью 1 процент являются общими. Напротив, интегрированные компоненты могут легко варьироваться на 30 процентов от их номинальной стоимости.

Следовательно, реальные аналоговые цепи должны быть построены со значительным количеством внутренней маржи. Разработка навыка для этого зависит от понимания того, что происходит в разных точках схемы, поскольку входные сигналы и значения компонентов различаются. И это требует проведения реальных измерений.

Момент «Ага», увидев, что ваша схема оживает, останется долго после того, как уравнения будут забыты.

В смоделированной схеме вы можете нажать на любой узел и прочитать любой параметр, не влияя на поведение цепи. С помощью Mosbius вы можете аналогично получить доступ к почти каждому узлу в схеме, но теперь вы сталкиваетесь с реальностью, что подключение тестовых зондов для проведения измерения может изменить поведение цепи. Выяснение наиболее элегантного способа проведения измерений является ключевым для тех, кто надеется увидеть свои идеи, приверженные кремнию. А «Ага», момент, когда появится ваша схема Жизнь останется долго после уравнений и анализ забыт

Способность Мосбиуса позволить людям тащиться внутри кишки интегрированного конструкция схемы черпает вдохновение из Три пятерки дискретный набор таймеракоторый использует дискретные компоненты для воссоздания работы одного из самых популярных интегрированных цепей всех времен, 555Полем Вы, конечно, можете Используйте Мосбиус, чтобы воссоздать 555а также многие другие демонстрационные цепи, начиная с «Hello World!» оборудования, мигающий светодиодПолем

Металлические транзисторы и широко используемые подсчета связаны с большинством контактов чипа Mosbius. Они также могут быть объединены внутри, используя набор шин, запрограммированных с использованием 650-битного потока из микроконтроллера. Джеймс Провост

Происхождение Мосбиуса было счастливым: при подготовке набора студенческих проектов IC, которые должны быть изготовлены, мы поняли, что у нас есть место, чтобы втиснуть еще одну чип в партию, если мы могли бы соблюдать крайний срок доставки. Через шесть недель Мосбиус отправился на производство!

Из этого ограниченного прогона – 150 чипов – мы делаем наборы Mosbius, доступные по номинальной цене 150 долларов США (с учетом изменений и просто для того, чтобы возместить наши расходы) другим преподавателям, заинтересованным в том, чтобы донести его в свои лаборатории. Мы также работаем над пересмотренной версией. Мосбиус может использоваться для создания цепей, которые варьируются в сложности от тех, которые подходят для студентов для проектов на уровне выпускников. А Веб -сайт имеет полный набор учебных пособий и Лабораторные эксперименты в руководстве готов к работе. Если вы заинтересованы в получении комплекта, вы можете Свяжитесь со мной через сайтПолем

Я понимаю, что у нас есть лишь небольшое количество доступных наборов – в конце концов, мы являемся университетским кафедрой, а не производителем полупроводников – но мы хотим сделать Мосбиус более доступным как для преподавателей, так и для энтузиастов в будущем. Лучший способ сделать это – это связаться со мной, потому что сильный спрос – это то, что мы можем представить коммерческому партнеру!