Что с рабочим напряжением: 5 В, 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В и т. Д.

Интегральные схемы, кажется, имеют стандартные напряжения 5В, 3,3В, 2,5В. 1.8V ...

• Кто решает эти напряжения?
• Почему устройства меньшего размера требуют более низкого напряжения?

Новые напряжения часто выбирались, чтобы дать некоторую степень совместимости с тем, что было до них.

Например, уровни выхода 3V3 CMOS были совместимы с входами TTL 5 В.

Более низкий VDD требуется, поскольку геометрия ворот уменьшается. Это предотвращает повреждение оксида затвора CMOS и минимизирует утечку. Когда переключатели переключались с 0,5 на 0,35 мкм, более тонкие затворы могли работать только с потенциалами до 3,6 В. Это привело к поставкам на 3,3 В +/- 10%. При переключении на 0,18um напряжение было снижено до 1,8 В +/- 10%. В новейших процессах (например, 45 нм) затворы изготовлены из диэлектриков с высоким k, таких как полудиний, для уменьшения утечки.

Это сочетание нескольких факторов:

• условные обозначения - проще спроектировать систему, когда на чипы подается одинаковое напряжение. Еще более важно то, что напряжение питания определяет уровни напряжения цифровых выходов CMOS и пороги напряжения входов. Стандарт для обмена данными между микросхемами составлял 5 В, в настоящее время он равен 3,3 В, хотя в последнее время произошел взрыв низковольтных интерфейсов последовательной связи с колебанием. Можно сказать, что здесь «отрасль» решает напряжение питания.
• Ограничения производственного процесса КМОП - с уменьшением МОП-транзисторов увеличивается толщина изоляционного материала затвора и длина канала. В результате напряжение питания должно быть снижено, чтобы избежать проблем с надежностью или повреждения. Чтобы поддерживать «удобное» напряжение питания на интерфейсах ввода / вывода (например, 3,3 В - см. Выше), эти ячейки сделаны с использованием других (более крупных и более медленных) транзисторов, чем ядро ​​чипа. Здесь «потрясающий» (тот, кто спроектировал производственный процесс там) решает напряжение.
• Энергопотребление - при каждом поколении процессов микросхема может вместить в 2 раза больше транзисторов, работающих на более высокой частоте в 2 раза (по крайней мере, так было до недавнего времени) - если ничего не сделать, это дает увеличение мощности в 2 * 2 = 4 раза на единицу площади. Чтобы уменьшить его, напряжение питания (или было) уменьшается пропорционально размерам транзистора, оставляя в 2 раза увеличение мощности / единицу площади. Здесь важен голос дизайнера чипа.

В последнее время картина стала более сложной - напряжение питания не может быть легко уменьшено из-за ограниченного внутреннего усиления транзистора. Это усиление представляет собой компромисс (при данном напряжении питания) между сопротивлением «включено» транзисторного канала, которое ограничивает скорость переключения, и сопротивлением «выключено», которое вызывает утечку тока через него. Вот почему напряжение питания ядра установилось на уровне около 1 В, в результате чего скорость новых цифровых микросхем растет медленнее, а их энергопотребление растет быстрее, чем раньше. Ситуация ухудшается, если учесть изменчивость производственного процесса - если вы не можете достаточно точно позиционировать пороговое напряжение переключения транзистора (а поскольку транзисторы становятся меньше, это становится очень трудным), то пропасть между сопротивлениями «включено» / «выключено» исчезает.

Напряжения выглядят следующим образом:

• 3,3 В = 2/3 от 5 В
• 2,5 В = 1/2 от 5 В
• 1.8v = ~ 1/3 от 5v (1.7 будет ближе к 1/3, это, кажется, единственный чудак)
• 1,2 В = 1/4 от 5 В

« Почему для небольших устройств требуется более низкое напряжение ?» Меньшие микросхемы имеют меньшую поверхность, чтобы избавиться от жары. Всякий раз, когда бит переключается где-то в IC, конденсатор должен быть заряжен или разряжен (то есть емкость затвора транзистора CMOS). Хотя транзисторы в цифровой микросхеме обычно очень малы, их много, поэтому проблема по-прежнему важна. Энергия, запасенная в конденсаторе, равна 0,5 * C * U ^ 2. Дважды напряжение вызовет 2 ^ 2 = 4 раза больше энергии, которая должна быть использована для каждого затвора MOSFET. Поэтому даже небольшой шаг, скажем, от 2,5 В до 1,8 В принесет значительное улучшение. Вот почему разработчики микросхем не просто придерживались 5 В в течение десятилетий и ждали, пока технология не будет готова к использованию 1,2 В, но использовали все другие забавные промежуточные уровни напряжения.

Краткий ответ: гики из TI так сказали, и все остальные последовали их примеру, создав совместимые или конкурирующие продукты.

5 Вольт был выбран для помехоустойчивости . Ранние микросхемы были источником питания, вызывая пульсации в источнике питания каждый раз, когда что-то переключалось, что дизайнеры пытались бы преодолеть, помещая конденсатор на выводы питания каждого чипа. Тем не менее, дополнительные 2,4 вольт запаса дали им подушку от проникновения в запретную зону между 0,8 В и 2,2 В. Кроме того, транзисторы вызвали падение напряжения ~ 0,4 В только из-за их работы.

Напряжения питания падали, чтобы продлить срок службы батареи, а также потому, что кристаллы кристалла сжимались, чтобы сделать ваши портативные устройства меньше и легче. Меньшее расстояние между компонентами на микросхеме требует более низких напряжений для предотвращения чрезмерного нагрева и потому, что более высокое напряжение может пересекать более тонкую изоляцию.

Кто бы ни делал микросхему, он выбирает нужные ему напряжения.

В старину кто-то начал использовать 5 В для цифровой логики, и это надолго застряло, в основном потому, что гораздо сложнее продать чип, которому нужно 4 В, когда все проектируют с большим количеством микросхем, работающих на 5 В.

iow: причина, по которой все стремятся использовать одно и то же напряжение, заключается не столько в том, что все они выбирают один и тот же процесс, сколько в том, что они не хотят, чтобы их проклинали за использование «необычных» напряжений конструкторами, которые используют свои чипы.

Переключение сигнала с определенной скоростью потребляет больше энергии, если напряжение выше, поэтому при более высоких скоростях вам нужно более низкое напряжение для подавления тока, поэтому более быстрые, более плотные, современные схемы, как правило, используют более низкие напряжения, чем старые чипы.

Многие чипы даже используют 3,3 В для ввода-вывода и более низкое напряжение, например 1,8 В для внутреннего ядра.

Разработчики микросхем знают, что напряжение 1,8 В является нестандартным напряжением и часто будут иметь внутренний регулятор, обеспечивающий напряжение ядра для самого чипа, избавляя разработчика от необходимости генерировать напряжение ядра.

Для примера ситуации с двойным напряжением взгляните на ENC28J60, который работает на 3,3 В, но имеет внутренний регулятор 2,5 В.

Напряжения диктуются физикой материалов (в любом случае, полупроводниковых материалов) и процессами, используемыми при изготовлении микросхемы. (Я надеюсь, что я использую правильные термины здесь ...) Разные типы полупроводников имеют разное напряжение разрыва - по существу, напряжение, которое их «активирует». Они также могут оптимизировать структуру чипа, чтобы позволить более низким напряжениям работать более надежно, когда они выполняют макеты (я полагаю).

Дело не в том, что меньшие устройства требуют более низких напряжений, а в том, что они разработали их для использования меньших напряжений, потому что меньшее напряжение означает меньшее рассеивание тепла и потенциально более быструю работу. Проще иметь тактовый сигнал 10 МГц, если он должен находиться в диапазоне от 0 до 1,8 В.