IC'lerin çoğunun (örneğin, MCU) çoklu (A / D) GND ve (A) VCC pinlerine sahip olmasının nedeni nedir?
Bir IC'nin performansını artırmaksa, performansa nasıl yardımcı olur? veya IC tasarımcının bazı pinleri harici olarak bağlaması daha mı kolay?
Bazı IC'lerin ayak izi, bu durumda bir GND bağlantısına sahiptir, nasıl yardımcı olur? Gerekli olmasa bile dava altında bir GND çizersem, bir IC'nin performansını iyileştirir mi?
Yanıtlar:
Akla üç neden geliyor:
1) Bir mikrodenetleyicinin bağırsaklarının bu yakın çekimine bir bakın.
Orada bir sürü var. Ve bu ölmenin her kısmı güç ister. Herhangi bir iğneden gelen gücün, cihazın her yerine ulaşabilmesi için bir sürü şeyden uzaklaştığını düşünmeniz gerekir. Çoklu güç hatları, cihaza güç çekmesi için çoklu yollar sağlar ve bu da yüksek akım olayları sırasında voltajın düşmesini önler.
2) Bazen farklı güç pimleri çip içinde belirli çevre birimleri sağlar. Bu, bazı çevre birimlerinin doğru çalışması için mümkün olduğu kadar temiz bir voltaj kaynağına ihtiyacı olduğunda yapılır. Çevre birimler çipin geri kalanının kullandığı güç kaynağını paylaşırsa, hattaki gürültüye ve voltaj düşüşlerine maruz kalabilir. Bir örnek, analog güç kaynağıdır. MCU'larda bir AVCC iğnesi görmek normaldir. Bu pin, sadece çip üzerindeki analog çevre birimleri için özel bir kaynaktır. Gerçekten, bu sadece yukarıdaki # 1 bir uzantısıdır.
3) Bir MCU'nun çekirdeğini bir voltajda çalıştırması nadir değildir, ancak çevre birimlerini diğerinde çalıştırması nadirdir. Örneğin, yakın zamanda çalıştığım bir ARM çipi, çekirdeği için 1.8V kullandı. Bununla birlikte, dijital çıkış pimleri, yüksek sürüldüğünde 3.3V sağlayacaktır. Bu nedenle, çip, 1.8V'lık bir besleme ve ayrı bir 3.3V'luk besleme gerektiriyordu.
Hatırlanması gereken en önemli şey, bu besleme pimlerinin hepsinin bağlanmak için fazlasıyla gerekli olduğudur . Geliştirme çalışmaları yaparken bile isteğe bağlı değillerdir.
Çipin alt kısmına gelince, ekstra ısı emmesi için orada. Çip tasarımcısı çipin muhafazasının ve pimlerinin, ısıyı silikondan yeterince uzatamayacağına karar verdi. Böylece, alt kısımdaki ekstra ped, sıcaklığı düşük tutmaya yardımcı olmak için bir ısı emici gibi davranır. Parçanın çok fazla ısı dağıtması gerekiyorsa, bu pedin üzerine lehimlemek için büyük bir bakır dökmek istersiniz.
Birden fazla güç ve topraklama pimi gerektirmenin üç ana nedeni vardır.
Empedans. Chips çok fazla akım çekebilir. Özellikle CMOS çipleri (temel olarak herhangi bir modern dijital IC), her saat döngüsünde çok kısa bir süre için çok büyük miktarda akım çeker. Besleme bağlantısındaki herhangi bir empedans (bu durumda direnç veya endüktans), çipin güç dağıtım ağında voltaj değişikliklerine veya voltaj düşüşüne neden olur. Bu, güvenilir işletimde sorunlara neden olabilir. Bu ayrıca bypass kondansatörlerinin kullanılmasının da nedenidir; çipe çok yakın olan yüksek frekanslı akımlar için bir dönüş yolu sağlayarak bu anahtarlama geçişlerinin panodaki diğer bileşenleri güç rayları üzerinden etkilemesini önlerler. Büyük talaşlar aslında bypass kapasitörlerini doğrudan paketin üzerine yerleştirir. Modern bir CPU’ya bakarsanız, pinoutta bir delik varsa talaş kalıbının etrafına ve / veya tabana lehimlenmiş bypass kapasitörlerini görebilirsiniz. Onları koymak için en iyi yer kalıbın kendisinde olacaktı, ancak kapasitörler çok fazla silikon alan kaplar ve bu nedenle çoğu durumda uygulanabilir olması çok pahalıdır. Ayrı analog besleme pimleri, çipin dijital bölümünden gelen gürültünün anahtarın ve / veya bağlantı telinin empedansı yoluyla kaynağın analog kısmını etkilemesini önlemek için kullanılır. Çok büyük miktarda akım tüketen cipsler için çoklu besleme pimleri de gereklidir. Modern bir mikroişlemci yaklaşık 1 voltta yaklaşık 100 A tüketebilir. Besleme kablolarının direnci çok düşük olmalıdır, aksi takdirde ısı için kaybedilen çok önemli bir miktar olacaktır.
Çoklu voltaj gereksinimi. Bazen bir çipin farklı bölümleri farklı voltajlarda çalışacaktır. Klasik bir örnek düşük voltaj çekirdeği ve yüksek voltaj G / Ç'dir. Çekirdek, güç tüketimini azaltmak için daha düşük bir voltaj kullanır (CMOS'taki güç tüketimi frekans ve voltajın karesiyle orantılıdır, bu nedenle voltajı yüzde 30 azaltabilirseniz, güçte yüzde 50'lik bir azalma elde edebilirsiniz) harici devre ile daha iyi arabirim sağlamak için G / Ç daha yüksek bir voltajda çalışır. Bazen çekirdek gerilimi bile değişkendir. Bu, dinamik voltaj ve frekans ölçeklendirme (DVFS) adı verilen bir güç optimizasyon tekniğinde yapılır. Çip üzerindeki yazılım yükü değiştikçe, güç tasarrufu sağlamak için frekansa ve gerilime komut verecektir. Frekans düşürüldüğünde, voltaj elde etmek için voltaj da düşürülebilir.
Sinyal bütünlüğü gereksinimleri. Modern çiplerde, pimlerdeki sinyaller çok hızlı bir şekilde geçiş yapabilir. Bu geçişlerin gerektirdiği akım, bir güç veya topraklama pimi boyunca bir dönüş yolu gerektirir. Bu pim uzaktaysa, sadece güç / toprak pimini ve söz konusu sinyal pimini değil aynı zamanda manyetik alan nedeniyle döngüdeki diğer pimleri de etkileyen oldukça büyük bir endüktif döngü oluşturur. Bu, bir sinyalin bitişik sinyalleri etkilediği çapraz karışma ile sonuçlanır. Yongalar yalnızca güç sağlamak için yeterli güç ve topraklama pimleriyle değil, aynı zamanda çapraz karıĢmayı azaltmak için makul yerlerde pimlerle tasarlanmalıdır.
Xilinx, seyrek chevron adı verilen özel bir güç ve toprak pimi şeması yarattı. Buradaki fikir, çılgınca sayıda güç ve toprak pimi gerektirmezken, geri dönüş yollarını tüm G / Ç pimlerine mümkün olan en yakın yere yerleştiren bir güç ve topraklama pimleri oluşturmaktır. Aşağıdaki şekil 1513 pinli BGA paketindeki Virtex 4 FPGA üzerindeki tüm güç ve topraklama pimlerini gösterir.
Merkezdeki yüksek Vccint ve toprak pinleri konsantrasyonu, fiili FPGA kalıbına çekirdek voltajını sağlar. FPGA 1,2 voltta 30 veya 40 amper çekebilir. Programlanabilir lojik diziye yüksek akım beslemesi için düşük empedanslı bir yol sağlamak için yüksek sayıda pin gerekir. Vccaux pinleri, JTAG arayüzü de dahil olmak üzere bazı destekleyici devrelere güç sağlar. Vcco ve toprak pinleri, I / O sıralarına güç sağlar. Ayrıca gerçek G / Ç sinyalleri için dönüş yolları sağlarlar. Her bir G / Ç pimi en az bir güç veya toprak pimine bitişiktir, endüktansı ve dolayısıyla üretilen çapraz kabloyu azaltır.
Bazı FPGA'lar, saniyede 28 gigabit kadar hızlı olabilen yüksek hızlı alıcı-vericileri de içerir. Yüksek hızlı serileştiriciler ve seri toplayıcılar temelde çok yüksek hızlı analog devrelerdir (biri yeterince yüksek bir hıza ulaşırsanız, hiçbir şey artık dijital değildir) ve bu nedenle özel sarf malzemelerine ihtiyaçları vardır. Genel olarak bunlar, bu hassas devrenin doğru çalışmasını sağlamak ve birçok GHz değerindeki geçici değerin başka hiçbir şeyi olumsuz yönde etkilememesini sağlamak için ayrı doğrusal regülatörlerle birlikte verilir.
Ayrı Analog ve Dijital VCC ve Topraklama nedeni rayları ayırmak ve temiz tutmaktır. Analog girişler dijital gürültüye duyarlıdır.
Birden fazla dış topraklamanın nedeni, dahili kablolama verimliliğinden kaynaklanıyor olabilir. Bazen bir toprağı IC gofretine dahili olarak yönlendirmek pratik değildir. Ancak bir başka neden de ısı dağılımıdır. IC'nin bağlı olduğu PCB'ye daha fazla termal iletkenlik sağlamak için kasanın altındaki GND bağlantıları dahil çoklu topraklama pimleri kullanılır.
Ayrıca, yalnızca bir pime çok fazla akım çekilmesi pratik olmayabilir. Direnci düşünün: bu teller çok incedir ve fazla akıma dayanamaz.
Böylece, daha karmaşık bir µC yük gereksinimini birçok pime yaymaktadır. Bu aynı zamanda kabloların iki veya daha fazla güç hattı, örn. Ethernet Üzerinden Güç aktarmasının nedeni budur.