Çalışma voltajı nedir: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, vb.

Entegre devrelerin standart 5V, 3.3V, 2.5V voltajları olduğu görülüyor. 1.8V ...

• Bu gerilimlere kim karar veriyor?
• Neden daha küçük cihazlar daha düşük voltaj gerektirir?

Yeni gerilimler genellikle onlardan önce gelenlerle bir dereceye kadar uyumluluk sağlamak için seçildi.

3V3 CMOS çıkış seviyeleri, örneğin 5V TTL girişleriyle uyumluydu.

Kapı geometrisi küçülürken daha düşük bir VDD gerekir. Bu, CMOS geçit oksitine zarar gelmesini önler ve sızıntıyı en aza indirir. Fab'ler 0,5um ila 0,35um arasında değiştiğinde, daha ince kapılar sadece 3,6V'a kadar potansiyelleri kaldırabilirdi. Bu da 3,3V +/-% 10 seviyesinde sarf malzemelerine yol açtı. Anahtar 0.18um'a getirildiğinde voltaj,% 1.8 ± +/-% 10'a düşürülmüştür. En son işlemlerde (örneğin, 45nm), kapılar sızıntıyı azaltmak için halfnium gibi yüksek-k dielektriklerden yapılmıştır.

Bu çeşitli faktörlerin bir kombinasyonudur:

• kurallar - cipsler aynı voltajla beslendiğinde bir sistem tasarlamak daha kolaydır. Daha da önemlisi, besleme voltajının CMOS dijital çıkışlarının voltaj seviyelerini ve girişlerin voltaj eşiklerini belirlemesidir. Çipten çipe iletişim için kullanılan standart 5V'du, bugünlerde 3.3V'du, ancak son zamanlarda düşük voltajlı salınımlı seri haberleşme arayüzlerinde bir patlama oldu. Burada "endüstri" nin besleme gerilimine karar verdiğini söyleyebilirsin.
• CMOS üretim süreci sınırlamaları - MOS transistörleri küçüldükçe, geçit yalıtım malzemesinin kalınlığı ve kanal uzunluğu da artar. Sonuç olarak, güvenilirlik sorunlarını veya hasarı önlemek için besleme voltajının düşürülmesi gerekir. G / Ç arayüzlerinde "uygun" bir besleme gerilimi sağlamak için (3.3V gibi - yukarı bakın), bu hücreler çipin çekirdeğinden farklı (daha büyük ve daha yavaş) transistörler kullanılarak yapılır. Burada "fab" (orada üretim işlemini kim tasarladıysa) gerilimi belirler.
• Güç tüketimi - her işlem üretiminde bir yonga, 2 kat daha fazla transistör barındırabilir, x2 daha yüksek frekansta çalışır (en azından yakın zamana kadar doğruydu) - birim alan başına güç tüketiminde 2 x 2 = 4 kat artış sağlayan hiçbir şey yapılmadıysa. Azaltmak için besleme gerilimi, transistör boyutlarına orantılı olarak azalmakta (ya da), güç / ünite alanında 2 kat artış bırakmaktadır. Burada çip tasarımcının sesi önemlidir.

Son zamanlarda resim daha da karmaşıklaştı - sınırlı intrinsik transistör kazancı nedeniyle besleme gerilimi kolayca ölçeklenemiyor. Bu kazanç, anahtarlama hızını sınırlayan transistör kanalının "açık" direnci ile içinden geçen akım sızıntısına neden olan "kapalı" direnç arasında (belirli bir besleme geriliminde) bir denge sağlar. Çekirdek besleme voltajının yaklaşık 1V'a yükselmesinin nedeni, yeni dijital IC yongalarının hızının daha yavaş büyümesine ve güç tüketiminin eskisinden daha hızlı artmasına neden olmasıdır. Üretim süreci değişkenliğini düşünürseniz işler daha da kötüye gidiyor - eğer transistör anahtarlama eşik voltajını yeterince doğru bir şekilde konumlandıramıyorsanız (ve transistörler küçüldükçe çok zorlaşır) "açık" / "kapalı" dirençler arasındaki fark ortadan kalkar.

Voltajlar bir kalıp izliyor gibi görünüyor:

• 3.3v = 2/3 / 5v
• 2.5v = 1/2 / 5v
• 1.8v = ~ 1/3/5 (1.7 1/3'e yakın olacak, bu tek garip görünüyor)
• 1,2v = 1/4 / 5v

" Neden daha küçük cihazlar daha düşük voltaj gerektirir ?" Küçük IC'ler ısıdan kurtulmak için daha az yüzeye sahiptir. Ne zaman bir bit bir IC'de herhangi bir yere geçtiğinde, bir kapasitör şarj edilmeli veya boşaltılmalıdır (yani bir CMOS transistörünün geçit kapasitansı). Dijital bir IC'deki transistörler genellikle çok çok küçük olsa da, birçoğu vardır, bu yüzden sorun hala önemlidir. Bir kapasitörde depolanan enerji 0,5 * C * U ^ 2'ye eşittir. Voltajın iki katı, her MOSFET'in kapısı için kullanılması gereken enerjinin 2 ^ 2 = 4 katı olacaktır. Bu nedenle, örneğin 2,5V ila 1,8V arasındaki küçük bir adım bile ciddi bir iyileşme sağlayacaktır. Bu yüzden IC tasarımcıları on yıllardır sadece 5V'a bağlı kalmadı ve teknoloji 1.2V kullanmaya hazır olana kadar bekledi, ancak diğer tüm komik voltaj seviyelerini kullandı.

Kısa cevap: TI'deki meraklılar öyle demişti ve herkes birbiriyle uyumlu veya rakip ürünler üreterek bunu takip etti.

Gürültü bağışıklığı için 5 Volt seçildi . İlk cipsler elektrik domuzlarıydı ve tasarımcılar her çipin besleme pimlerine kondansatör koyarak üstesinden gelmeye çalıştığı bir şey değiştiğinde güç kaynağında dalgalanmaya neden oldu. Buna rağmen, 2,4 voltluk ilave bir tavan boşluğu, 0,8V ile 2,2V arasında yasak bölgeye girmelerine karşı bir yastık verdi. Ayrıca, transistörler, sadece çalışmalarında ~ 0,4 V voltaj düşmesine neden oldu.

Batarya ömrünü uzatmak için besleme gerilimleri düşüyor ve çipin ölmesi, taşınabilir cihazlarınızı daha küçük ve hafif yapmak için küçülüyor. Bileşenlerin yonga üzerinde daha yakın olması, aşırı ısınmayı önlemek için daha düşük voltajlar gerektirir ve çünkü yüksek voltaj, daha ince yalıtımdan geçebilir.

Bir IC yapan kişi, ihtiyaç duyduğu voltajlara karar verir.

Eski günlerde birileri dijital mantık için 5V kullanmaya başladı ve bu durum uzun zamandan beri takıldı, çünkü herkes 5V'de çalışan çok fazla fişle tasarlarken 4V'ye ihtiyaç duyan bir çip satmak çok zor.

iow: Herkesin aynı gerilimi kullanma eğiliminde olmasının nedeni, çiplerini kullanan tasarımcıların "olağandışı" gerilimleri kullanmak için lanetlenmesini istemedikleri bir mesele olduğu için, aynı işlemi seçmeleri pek de önemli değil.

Bir voltajı belirli bir hızda değiştirmek, voltaj daha yüksekse daha fazla güç gerektirir; bu nedenle, daha yüksek hızlarda akımı azaltmak için daha düşük voltajlara ihtiyacınız olur; bu nedenle daha hızlı, daha yoğun ve modern devrelerin eski yongalardan daha düşük voltaj kullanma eğilimi vardır.

Çoğu çip, giriş / çıkış için 3.3V ve iç çekirdek için 1.8V gibi daha düşük bir voltaj kullanır.

Yonga tasarımcıları 1.8V'nin tek uçlu bir voltaj olduğunu biliyorlar ve genellikle talaşın kendisi için çekirdek voltajı sağlamak için iç düzenleyiciye sahip olacaklar;

İkili voltaj durumunun bir örneği için 3.3V'da çalışan ENC28J60'a bakın ancak dahili bir 2,5V regülatöre sahip.

Gerilimler, malzemelerin fiziği (herhangi bir şekilde yarı iletken malzemeler) ve çipin yapımında kullanılan işlemler tarafından belirlenir. (Umarım burada doğru terimleri kullanıyorum ...) Farklı tipte yarı iletkenlerin farklı aralık voltajları vardır - temelde onları 'aktifleştiren' voltaj. Ayrıca, çiplerin yapısını, düzenleri yaptıklarında daha düşük voltajların daha güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamak için optimize edebilirler (inanıyorum).

Daha küçük cihazların daha düşük voltaj gerektirmesi o kadar fazla değildir, onları daha küçük voltaj kullanacak şekilde tasarladıkları için, daha az voltaj daha az ısı dağılımı ve potansiyel olarak daha hızlı çalışma anlamına gelir. Yalnızca 0V ile 1.8V arasında olması gerekiyorsa, 10MHz'lik bir saat sinyaline sahip olmak daha kolaydır.