Motivo di più GND e VCC su un IC

Qual è il motivo per cui la maggior parte dei circuiti integrati (ad es. MCU) ha pin multipli (A / D) GND e (A) VCC?

Se serve per aumentare le prestazioni di un circuito integrato, in che modo aiuta le prestazioni? o è più facile per il progettista IC collegare alcuni pin esternamente?

alcune impronte di circuiti integrati hanno una connessione GND in questo caso, in che modo aiuta? Migliorerebbe le prestazioni di un circuito integrato se disegnassi un GND sul caso anche se non fosse necessario?

Mi vengono in mente tre motivi:

1) Dai un'occhiata a questo primo piano delle viscere di un microcontrollore.

C'è molto da fare lì dentro. E ogni parte di quel dado ha bisogno di potere. La potenza che proviene da ogni singolo pin probabilmente dovrà far passare un sacco di cose per raggiungere ogni parte del dispositivo. Molteplici linee di alimentazione forniscono al dispositivo più vie per trarre energia, il che impedisce alla tensione di diminuire tanto durante gli eventi ad alta corrente.

2) A volte i diversi pin di alimentazione forniscono periferiche specifiche all'interno del chip. Questo viene fatto quando alcune periferiche necessitano di un'alimentazione di tensione quanto più pulita possibile per funzionare correttamente. Se le periferiche condividono l'alimentatore utilizzato dal resto del chip, potrebbe essere soggetto a disturbi sulla linea e cali di tensione. Un esempio è l'alimentatore analogico. Hai notato che è tipico vedere un pin AVCC su MCU. Quel pin è un'alimentazione dedicata solo per le periferiche analogiche sul chip. Davvero, questa è solo un'estensione del numero 1 sopra.

3) Non è inusuale per un MCU alimentare il suo core a una tensione ma far funzionare le periferiche su un'altra. Ad esempio, un chip ARM con cui ho lavorato di recente ha utilizzato 1,8 V per il suo core. Tuttavia, i pin di uscita digitali fornirebbero 3,3 V quando vengono guidati in alto. Pertanto, il chip richiedeva un'alimentazione da 1,8 V e un'alimentazione separata da 3,3 V.

La cosa principale da ricordare è che tutti questi pin di alimentazione sono assolutamente necessari per il collegamento . Non sono opzionali, anche quando svolgono lavori di sviluppo.

Per quanto riguarda il fondello sul chip, è lì per un ulteriore affondamento di calore. Il progettista del chip ha deciso che l'involucro e i pin del chip potrebbero non dissipare abbastanza il calore dal silicio. Quindi il pad extra sul fondo agisce come un dissipatore di calore per aiutare a mantenere bassa la temperatura. Se si prevede che la parte debba dissipare molto calore, si consiglia di fare un grande getto di rame per saldare quel pad.

Esistono tre motivi principali per richiedere più pin di alimentazione e di terra.

1. Impedenza. I chip possono assorbire molta corrente. I chip CMOS in particolare (praticamente qualsiasi moderno IC digitale) assorbono enormi quantità di corrente per periodi di tempo molto brevi su ogni ciclo di clock. Qualsiasi impedenza (in questo caso resistenza o induttanza) nella connessione di alimentazione comporterà variazioni di tensione o caduta di tensione nella rete di distribuzione dell'alimentazione del chip. Ciò può causare problemi con un funzionamento affidabile. Questo è anche il motivo per cui vengono utilizzati condensatori di bypass; impediscono a questi transitori di commutazione di influenzare altri componenti sulla scheda attraverso le guide di potenza fornendo un percorso di ritorno per le correnti ad alta frequenza molto vicine al chip. I chip di grandi dimensioni posizionano effettivamente i condensatori di bypass direttamente sul pacchetto. Se guardi una CPU moderna, puoi vedere i condensatori di bypass saldati al pacchetto attorno alla matrice del chip e / o sul fondo se c'è un foro nella piedinatura. Il posto migliore per metterli sarebbe sullo stampo stesso, ma i condensatori occupano molta area di silicio e quindi questo è troppo costoso per essere fattibile nella maggior parte dei casi. Perni di alimentazione analogici separati vengono utilizzati per impedire che il rumore di commutazione dalla parte digitale del chip influisca sulla parte analogica dell'alimentazione attraverso l'impedenza del pin e / o del filo di collegamento. Per i chip che consumano grandi quantità di corrente sono necessari anche pin di alimentazione multipli. Un moderno microprocessore può consumare circa 100 A a circa 1 volt. La resistenza del cablaggio di alimentazione deve essere molto bassa, altrimenti si perde una quantità significativa di calore.

2. Requisiti di tensione multipli. A volte parti diverse di un chip funzionano a diverse tensioni. Un esempio classico è un core a bassa tensione e I / O ad alta tensione. Il core utilizza una tensione più bassa per ridurre il consumo di energia (il consumo di energia in CMOS è più o meno proporzionale alla frequenza e al quadrato della tensione, quindi se puoi abbassare la tensione del 30 percento puoi ottenere una riduzione del 50 percento di potenza) mentre l'I / O funziona a una tensione più alta per interfacciarsi meglio con i circuiti esterni. A volte la tensione del core è persino variabile. Questo viene fatto in una tecnica di ottimizzazione della potenza chiamata tensione dinamica e ridimensionamento di frequenza (DVFS). Man mano che il software si carica sul chip cambia, comanda la frequenza e la tensione a cambiare per risparmiare energia. Quando la frequenza viene ridotta, la tensione può anche essere ridotta per ottenere un '

3. Requisiti di integrità del segnale. Nei chip moderni, i segnali sui pin possono transitare molto rapidamente. La corrente richiesta da queste transizioni richiede un percorso di ritorno attraverso un pin di potenza o di terra. Se questo pin è lontano, finisce per creare un loop induttivo piuttosto grande che non riguarda solo il pin power / ground e il pin del segnale in questione, ma anche qualsiasi altro pin nel loop a causa del campo magnetico. Ciò si traduce in una diafonia in cui un segnale influenza i segnali adiacenti. I chip devono essere progettati non solo con abbastanza potenza e pin di terra per fornire energia, ma anche con pin in posizioni ragionevoli per ridurre la diafonia.

Xilinx ha creato un particolare schema di alimentazione e pinout chiamato chevron rado. L'idea è quella di creare una serie di pin di alimentazione e di terra che posizionino i percorsi di ritorno il più vicino possibile a tutti i pin di I / O, senza richiedere un numero folle di pin di alimentazione e di terra. La figura seguente rappresenta tutti i pin di alimentazione e di terra su un FPGA Virtex 4 in un pacchetto BGA con 1513 pin.

L'elevata concentrazione di Vccint e pin di messa a terra al centro fornisce la tensione del core alla matrice FPGA effettiva. L'FPGA può assorbire fino a 30 o 40 amp a 1,2 volt. L'elevato numero di pin è necessario per fornire un percorso a bassa impedenza per l'alimentazione di corrente elevata all'array logico programmabile. I pin Vccaux forniscono energia ad alcuni circuiti di supporto, inclusa l'interfaccia JTAG. Il modello di Vcco e pin di terra fornisce alimentazione ai banchi I / O. Forniscono inoltre percorsi di ritorno per i segnali I / O effettivi. Ogni pin I / O è adiacente ad almeno un pin di alimentazione o di terra, riducendo al minimo l'induttanza e quindi la diafonia generata.

Alcuni FPGA incorporano anche ricetrasmettitori ad alta velocità che possono raggiungere una velocità di 28 gigabit al secondo. I serializzatori e i deserializzatori ad alta velocità sono fondamentalmente circuiti analogici ad alta velocità (uno che raggiunge una velocità abbastanza elevata, nulla è più veramente digitale) e quindi hanno bisogno di forniture dedicate. Generalmente questi sono forniti con regolatori lineari separati per garantire che questo circuito sensibile funzioni correttamente e per garantire che i transitori di valore di molti GHz non influiscano negativamente su qualsiasi altra cosa.

Il motivo per VCC e terra analogici e digitali separati è quello di separare e mantenere pulite le guide. Gli ingressi analogici sono sensibili al rumore digitale.

Il motivo di più motivi esterni può essere dovuto all'efficienza del cablaggio interno. A volte non è pratico instradare un terreno internamente sul wafer IC. Ma un'altra ragione è la dissipazione del calore. Perni di terra multipli, comprese le connessioni GND sotto il case, vengono utilizzati per garantire una maggiore conduttività termica al PCB a cui è collegato l'IC.

Inoltre, assorbire molta corrente potrebbe non essere pratico su un solo pin. Pensa alla resistenza: quei fili sono molto sottili e non possono trasportare molta corrente.

Pertanto, un µC più complesso diffonde il suo requisito di carico su molti pin. Questo è spesso anche il motivo per cui i cavi trasportano due o più linee di alimentazione, ad esempio Power-over-Ethernet.