Cosa succede con le tensioni di funzionamento: 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, ecc

I circuiti integrati sembrano avere tensioni standard di 5 V, 3,3 V, 2,5 V. 1.8V ...

• Chi decide queste tensioni?
• Perché i dispositivi più piccoli richiedono tensioni più basse?

Nuove tensioni sono state spesso scelte per dare un certo grado di compatibilità con ciò che li precede.

I livelli di uscita CMOS 3V3 erano compatibili con ingressi TTL 5V, ad esempio.

È richiesto un VDD inferiore quando la geometria del gate si restringe. Ciò impedisce danni all'ossido di gate CMOS e riduce al minimo le perdite. Quando i fab sono passati da 0,5um a 0,35um, i gate più sottili potevano gestire solo potenziali fino a 3,6V. Ciò ha portato a forniture a 3,3 V +/- 10%. Con l'interruttore a 0,18um la tensione è stata ulteriormente ridotta a 1,8 V +/- 10%. Negli ultimi processi (ad es. 45nm), le porte sono realizzate in dielettrici ad alto k come il mezzo mezzo per ridurre le perdite.

Questa è una combinazione di diversi fattori:

• convenzioni - è più semplice progettare un sistema quando i chip sono alimentati con la stessa tensione. Ancora più importante è che la tensione di alimentazione determina i livelli di tensione delle uscite digitali CMOS e le soglie di tensione degli ingressi. Lo standard per la comunicazione chip-to-chip era 5 V, oggi è 3,3 V, anche se recentemente si è verificata un'esplosione di interfacce di comunicazione seriale a bassa tensione. Si potrebbe dire che qui "l'industria" decide la tensione di alimentazione.
• Limitazioni del processo di produzione CMOS - man mano che i transistor MOS si restringono, lo stesso fa lo spessore del materiale di isolamento del gate e la lunghezza del canale. Di conseguenza, la tensione di alimentazione deve essere ridotta per evitare problemi di affidabilità o danni. Per mantenere una "conveniente" tensione di alimentazione alle interfacce I / O (come 3.3V - vedi sopra), queste celle sono realizzate utilizzando transistor diversi (più grandi e più lenti) rispetto al nucleo del chip. Qui il "fab" (chiunque abbia progettato lì il processo di fabbricazione) decide la tensione.
• Consumo energetico - a ogni generazione di processo un chip può ospitare 2 volte più transistor, funzionando a una frequenza x2 più elevata (almeno fino a poco tempo fa) - se non viene fatto nulla che dia un aumento di 2 * 2 = 4 volte del consumo di energia per unità di area. Per ridurlo, la tensione di alimentazione è (o stava) ridimensionando proporzionalmente alle dimensioni del transistor, lasciando un aumento di 2 volte nell'area di potenza / unità. Qui la voce del progettista di chip è importante.

Di recente l'immagine è diventata più complicata: la tensione di alimentazione non può ridimensionarsi facilmente a causa del limitato guadagno intrinseco del transistor. Questo guadagno presenta un compromesso (a una determinata tensione di alimentazione) tra la resistenza "on" del canale del transistor, che limita la velocità di commutazione e la resistenza "off" che provoca la dispersione di corrente attraverso di esso. Ecco perché la tensione di alimentazione di base si è assestata a circa 1 V, aumentando la velocità dei nuovi chip IC digitali e aumentando il loro consumo di energia più velocemente rispetto al passato. Le cose peggiorano se si considera la variabilità del processo di produzione - se non si riesce a posizionare la tensione della soglia di commutazione del transistor in modo sufficientemente accurato (e man mano che i transistor si riducono diventa molto difficile) il margine tra le resistenze "on" / "off" scompare.

Le tensioni sembrano seguire uno schema:

• 3.3v = 2/3 di 5v
• 2,5 v = 1/2 di 5 v
• 1.8v = ~ 1/3 di 5v (1.7 sarebbe più vicino a 1/3, questa sembra essere l'unica strana palla)
• 1,2 v = 1/4 di 5 v

" Perché i dispositivi più piccoli richiedono tensioni più basse ?" I circuiti integrati più piccoli hanno meno superficie per eliminare il calore. Ogni volta che un po 'si attiva da qualche parte in un IC, un condensatore deve essere caricato o scaricato (cioè la capacità di gate di un transistor CMOS). Sebbene i transisotr in un circuito integrato digitale siano in genere molto piccoli, ce ne sono molti, quindi il problema è ancora importante. L'energia immagazzinata in un condensatore è pari a 0,5 * C * U ^ 2. Il doppio della tensione causerà 2 ^ 2 = 4 volte l'energia che deve essere utilizzata per ogni gate del MOSFET. Pertanto, anche un piccolo passo in avanti da, diciamo, da 2,5 V a 1,8 V porterà un considerevole miglioramento. Ecco perché i progettisti IC non si sono limitati a 5 V per decenni e hanno aspettato che la tecnologia fosse pronta per l'uso di 1,2 V, ma hanno usato tutti gli altri livelli di tensione divertenti nel mezzo.

Risposta breve: I fanatici di TI lo hanno detto, e tutti gli altri hanno seguito l'esempio creando prodotti compatibili o concorrenti.

5 Volt è stato scelto per l'immunità al rumore . I primi chip erano alimentatori, causando ondulazioni nell'alimentatore ogni volta che qualcosa cambiava che i progettisti avrebbero cercato di superare mettendo un condensatore sui pin di alimentazione di ogni chip. Anche così, un extra di 2,4 volt di headroom ha dato loro un cuscino contro l'ingresso nell'area proibita tra 0,8 V e 2,2 V. Inoltre, i transistor hanno causato una caduta di tensione di ~ 0,4 V solo per il loro funzionamento.

Le tensioni di alimentazione sono diminuite per prolungare la durata della batteria e poiché i chip si sono ridotti per rendere i dispositivi portatili più piccoli e leggeri. La distanza più ravvicinata dei componenti sul chip richiede tensioni più basse per evitare un riscaldamento eccessivo e perché la tensione più elevata potrebbe attraversare l'isolamento più sottile.

Chiunque produca un circuito integrato decide sulle tensioni di cui ha bisogno.

Ai vecchi tempi qualcuno ha iniziato a usare 5 V per la logica digitale e questo è rimasto bloccato per molto tempo, principalmente perché è molto più difficile vendere un chip che ha bisogno di 4 V quando tutti stanno progettando con molti chip che girano su 5 V.

iow: Il motivo per cui tutti tendono a usare la stessa tensione non dipende tanto da tutti che scelgono lo stesso processo in quanto non vogliono essere maledetti dall'uso di tensioni "insolite" da parte dei progettisti che usano i loro chip.

La commutazione di un segnale a una determinata velocità richiede più potenza se la tensione è maggiore, quindi con velocità più elevate sono necessarie tensioni più basse per mantenere bassa la corrente, ecco perché i circuiti più veloci, più densi e moderni tendono ad utilizzare tensioni più basse rispetto ai vecchi chip.

Molti chip usano persino 3,3 V per I / O e una tensione inferiore, come 1,8 V per il core interno.

I progettisti di chip sanno che 1,8 V è una tensione strana e spesso avranno un regolatore interno per fornire la tensione del core per il chip stesso, evitando al progettista di dover generare la tensione del core.

Per un esempio della situazione della doppia tensione, dai un'occhiata all'ENC28J60 che funziona a 3.3V, ma ha un regolatore interno a 2.5V.

Le tensioni sono dettate dalla fisica dei materiali (materiali semiconduttori comunque) e dai processi utilizzati nella realizzazione del chip. (Spero di usare i termini giusti qui ...) Diversi tipi di semiconduttori hanno tensioni di gap diverse - essenzialmente la tensione che li "attiva". Possono anche ottimizzare la struttura del chip per consentire alle tensioni più basse di funzionare in modo più affidabile quando eseguono layout (credo).

Non è tanto che i dispositivi più piccoli richiedono tensioni più basse, è che li hanno progettati per utilizzare tensioni più piccole perché una minore tensione significa una minore dissipazione del calore e un funzionamento potenzialmente più veloce. È più facile avere un segnale di clock a 10 MHz se deve andare solo tra 0 V e 1,8 V.