CIS - Ein Demonstrator-IC für die Integration von Elektronik im Schmuck



Der CIS-IC (CIS: Chip-Im-Schmuck) wurde von Studierenden des Studiengangs Elektrotechnik/Informationstechnik im Rahmen einer Projektarbeit entwickelt, um die Integration von Elektronik im Schmuck zu demonstrieren (Siehe auch Veröffentlichung).

Der entstandene Chip verändert über Pulsweitenmodulation (PWM) die Leuchtstärke von zweifarbigen LEDs (z.B. rot und grün). Die Startwerte der beiden PWMs werden dabei pseudozufällig variiert. Damit ergibt sich ein sich ständig pseudozufällig verändernder Farbverlauf von Mischfarben der Farben rot und grün. Die LEDs werden nur eine kurze Zeit eingeschaltet, um Strom zu sparen. Die Pausen zwischen dem Einschalten der LEDs werden ebenfalls per Pseudozufallsgenerator in ihrer Länge variiert.

Der Chip wird über eine 3V-Knopfzelle versorgt und benötigt außer den LEDs (und ggf. einem Vorwiderstand) keine weiteren Bauteile. Ein Oszillator und ein Power-On Reset (Analogteil) wurden auf dem Chip integriert, die restlichen Funktionen sind digital realisiert. Die digitalen Funktionen wurden mit VHDL und Logiksynthese entwickelt und zunächst auf einem FPGA-Prototypen getestet. Die analogen Funktionen wurden per Schaltplaneingabe und Spice-Simulationen entwickelt. Für die Entwicklung wurden die der an der FH Pforzheim vorhandenen Chip-Entwurfswerkzeuge der Firma Mentor Graphics verwendet, wie sie auch in der Industrie Anwendung finden.



Ein Bild vom Chip, montiert auf einem PCB-Träger. Zu erkennen sind die Bonddrähte vom Chip (Pads) zu den Leiterbahnen des PCBs. Oben und unten sind die Versorgungsanschlüsse zu sehen, links sind die beiden Signalausgänge für die LEDs zu erkennen.

Die Größe des Chips beträgt c.a. 3.5 mm2. Er wurde in einem 0.5µm-CMOS-Prozess mit Analogoptionen (Doppel-PolySi für Kapazitäten, hochohmiges PolySi für Widerstände) gefertigt. Die Stromaufnahme des Chips liegt bei c.a. 100µA bei 3V (ohne Stromaufnahme der LEDs). Die Montage der ungehäusten Chips auf dem PCB-Träger wurde von der Fachhochschule Esslingen, Aussenstelle Göppingen, durchgeführt.



Die Bilder oben und unten zeigen Ausschnittvergrößerungen vom Chip. Man erkennt den Analogteil (oberhalb von den Initialen der Designer). Im oberen Bild sind im rechten oberen Teil des Analogteils die beiden quadratischen Kapazitäten zu erkennen und unterhalb der Kapazitäten der mäanderförmige Widerstand. Links davon die Verschaltung der Transistoren. Der Oszillator schwingt bei c.a. 1.7MHz bei 3V und arbeitet nach dem Prinzip eines Multivibrators: eine Kapazität wird über Stromquellen aufgeladen bzw. entladen und über einen Schwellwertschalter mit Hysterese ausgewertet. Damit wird ein RS-Flipflop angesteuert, welches die Stromquellen wiederum umsteuert.