По какой причине большинство микросхем (например, MCU) имеют несколько (A / D) GND и (A) VCC-выводов?
Если это для повышения производительности IC, как это помогает производительности? или дизайнеру IC проще подключать внешние контакты?
На каком-то участке микросхемы есть GND-соединение под корпус, как это помогает? Повысит ли это производительность IC, если я нарисую GND под корпус, даже если это не требуется?
Ответы:
На ум приходят три причины:
1) Посмотрите на этот крупный план кишок микроконтроллера.
Там очень много происходит там. И каждая часть этого кубика нуждается в силе. Питание, поступающее от любого одного контакта, вероятно, придется змеиться вокруг множества вещей, чтобы добраться до каждой части устройства. Несколько линий электропередачи дают устройству множество возможностей для получения энергии, что предотвращает падение напряжения в такой же степени во время сильноточных событий.
2) Иногда разные выводы питания питают определенные периферийные устройства внутри чипа. Это делается, когда определенные периферийные устройства нуждаются в как можно более чистом источнике напряжения для правильной работы. Если периферийные устройства используют общий источник питания, который используется остальной микросхемой, это может привести к помехам в линии и провалам напряжения. Примером является аналоговый источник питания. Вы заметили, что типично видеть вывод AVCC на MCU. Этот вывод предназначен только для аналоговой периферии на чипе. На самом деле, это просто расширение № 1 выше.
3) MCU нередко питает свое ядро при одном напряжении, а периферийные устройства работают при другом. Например, чип ARM, с которым я работал, недавно использовал 1,8 В для своего ядра. Тем не менее, выводы цифрового выхода будут подавать 3,3 В при высоком уровне. Поэтому для микросхемы требовалось питание 1,8 В и отдельное питание 3,3 В.
Главное помнить, что все эти выводы питания абсолютно необходимы для подключения . Они не являются обязательными, даже когда занимаются разработкой.
Что касается нижней накладки на чипе, она предназначена для дополнительного нагрева. Разработчик чипа решил, что корпус и контакты чипа могут не отводить тепло от кремния. Таким образом, дополнительная накладка внизу действует как теплоотвод, помогая снизить температуру. Если ожидается, что деталь должна рассеивать много тепла, вам понадобится большая медная заливка, чтобы припаять эту прокладку.
Есть три основные причины, по которым требуется несколько контактов питания и заземления.
Сопротивление. Микросхемы могут рисовать много тока. В частности, микросхемы CMOS (в основном любые современные цифровые ИС) потребляют огромное количество тока в течение очень коротких периодов времени на каждом такте. Любой импеданс (в данном случае сопротивление или индуктивность) в соединении источника питания приведет к изменениям напряжения или падению напряжения в распределительной сети микросхемы. Это может вызвать проблемы с надежной работой. Это также, почему конденсаторы обхода используются; они предотвращают воздействие этих переходных процессов на другие компоненты платы через силовые шины, обеспечивая обратный путь для высокочастотных токов, очень близких к микросхеме. Большие микросхемы фактически устанавливают обходные конденсаторы прямо на корпус. Если вы посмотрите на современный процессор, вы можете увидеть перепускные конденсаторы, припаянные к корпусу вокруг кристалла и / или снизу, если в выводе есть отверстие. Лучшее место для их размещения - сама матрица, но конденсаторы занимают большую площадь кремния, поэтому в большинстве случаев это слишком дорого, чтобы быть выполнимым. Отдельные аналоговые выводы питания используются для предотвращения воздействия шума переключения от цифровой части микросхемы на аналоговую часть питания через полное сопротивление контакта и / или соединительного провода. Несколько микросхем питания также требуются для микросхем, которые потребляют очень большое количество тока. Современный микропроцессор может потреблять около 100 А при напряжении около 1 вольт. Сопротивление питающей проводки должно быть очень низким, иначе будет очень значительное количество тепла.
Несколько требований к напряжению. Иногда разные части чипа будут работать при разных напряжениях. Классическим примером является низковольтное ядро и высоковольтный ввод / вывод. Ядро использует более низкое напряжение для снижения энергопотребления (энергопотребление в CMOS более или менее пропорционально частоте и квадрату напряжения, поэтому, если вы снизите напряжение на 30 процентов, вы получите 50-процентное снижение мощности) в то время как ввод / вывод работает при более высоком напряжении, чтобы лучше взаимодействовать с внешней схемой. Иногда напряжение ядра даже переменное. Это делается с помощью метода оптимизации мощности, который называется динамическим масштабированием напряжения и частоты (DVFS). Когда программная нагрузка на микросхему изменяется, она выдает команду на изменение частоты и напряжения для экономии энергии. Когда частота снижается, напряжение также может быть снижено для достижения
Требования к целостности сигнала. В современных чипах сигналы на выводах могут очень быстро переходить. Ток, требуемый этими переходами, требует обратного пути через силовой или заземляющий контакт. Если этот вывод находится далеко, он в конечном итоге создает довольно большую индуктивную петлю, которая влияет не только на контакт питания / заземления и рассматриваемый сигнальный контакт, но и на любые другие контакты в контуре из-за магнитного поля. Это приводит к перекрестным помехам, когда один сигнал влияет на соседние сигналы. Микросхемы должны быть сконструированы не только с достаточным количеством силовых и заземляющих контактов для подачи питания, но также с выводами в разумных местах для уменьшения перекрестных помех.
Xilinx создал особую схему распределения мощности и заземления, называемую разреженным шевроном. Идея состоит в том, чтобы создать набор выводов питания и заземления, которые размещают пути возврата как можно ближе ко всем выводам ввода / вывода, при этом не требуя безумного количества выводов питания и заземления. На рисунке ниже представлены все контакты питания и заземления FPGA Virtex 4 в корпусе BGA с 1513 контактами.
Высокая концентрация Vccint и заземляющих штырьков в центре подает напряжение ядра на реальную матрицу ПЛИС. FPGA может потреблять до 30 или 40 ампер при 1,2 вольт. Большое количество контактов требуется для обеспечения низкого сопротивления пути для подачи высокого тока в программируемую логическую матрицу. Контакты Vccaux подают питание на некоторые поддерживающие схемы, включая интерфейс JTAG. Схема Vcco и заземления выводит питание на банки ввода / вывода. Они также предоставляют пути возврата для фактических сигналов ввода / вывода. Каждый вывод ввода / вывода примыкает, по крайней мере, к одному выводу питания или заземления, минимизируя индуктивность и, следовательно, создаваемые перекрестные помехи.
Некоторые ПЛИС также включают высокоскоростные приемопередатчики, которые могут развивать скорость до 28 гигабит в секунду. Высокоскоростные сериализаторы и десериализаторы - это, по сути, очень высокоскоростные аналоговые схемы (одна из которых обеспечивает достаточно высокую скорость, больше ничего не является по-настоящему цифровым), и поэтому им нужны специальные расходные материалы. Как правило, они поставляются с отдельными линейными регуляторами, чтобы обеспечить правильную работу этой чувствительной схемы и обеспечить, чтобы переходные процессы на многие ГГц не оказывали отрицательного влияния ни на что другое.
Причина раздельного аналогового и цифрового VCC и заземления состоит в том, чтобы отделить и содержать рельсы в чистоте. Аналоговые входы чувствительны к цифровому шуму.
Причиной нескольких внешних заземлений может быть из-за эффективности внутренней проводки. Иногда нецелесообразно прокладывать маршрут внутри платы IC. Но другая причина - рассеивание тепла. Для обеспечения большей теплопроводности к печатной плате, к которой подключена микросхема, используются несколько выводов заземления, включая заземление под корпусом.
Кроме того, использование большого количества тока может быть нецелесообразно только для одного контакта. Подумайте об сопротивлении: эти провода очень тонкие и не могут выдерживать большой ток.
Таким образом, более сложный мкК распределяет нагрузку по многим контактам. Это также часто является причиной того, что кабели несут две или более линии питания, например, Power-over-Ethernet.