У чому причина більшості ІС (наприклад, MCU) має кілька (A / D) GND та (A) VCC штифтів?
Якщо це сприяє підвищенню продуктивності ІМС, як це сприяє роботі? або дизайнеру IC простіше підключити деякі шпильки зовні?
Деякі слід ІС мають підключення до справи, як це допомагає? Чи поліпшить це ефективність ІМС, якщо я намалюю GND під корпус, навіть якщо він не потрібен?
Відповіді:
Три причини:
1) Погляньте на цей крупний план кишок мікроконтролера.
Там багато відбувається. І кожна частина цього вмирання потребує сили. Для живлення з будь-якого одного штифта, ймовірно, доведеться зміїти його навколо багатьох матеріалів, щоб дістатися до кожної частини пристрою. Кілька ліній електропередач дають пристрою декілька способів витягувати живлення, що утримує напругу від занурення стільки ж, скільки під час сильних поточних подій.
2) Іноді різні силові штифти постачають певні периферійні пристрої всередині мікросхеми. Це робиться, коли певні периферійні пристрої потребують максимально чистого джерела напруги, щоб правильно працювати. Якщо периферійні пристрої розділяють джерело живлення, які використовує решта мікросхема, це може спричинити шум на лінії та провали напруги. Приклад - аналоговий блок живлення. Ви помітили, що типово бачити штифт AVCC на MCU. Цей штифт - це виділений джерело тільки для аналогової периферії на мікросхемі. Дійсно, це лише розширення №1 вище.
3) Не рідкість MCU живити своє ядро на одній напрузі, але керувати периферійними пристроями на іншому. Наприклад, чіп ARM, з яким я працював нещодавно, використовував 1.8V для свого ядра. Тим не менш, цифрові вихідні штифти постачали б 3,3 В при підвищеному русі. Тому для мікросхеми було потрібно джерело живлення 1,8 В та окреме джерело 3,3 В.
Головне пам’ятати, що всі ці штифти подачі абсолютно необхідні для підключення . Вони не є необов’язковими, навіть коли виконують роботи з розвитку.
Що стосується нижньої колодки на мікросхемі, вона є для додаткового прогрівання тепла. Дизайнер мікросхем вирішив, що кожух і штифти мікросхеми можуть не відводити тепло від кремнію достатньо. Таким чином, додаткова накладка на дні діє як тепловідвід, щоб допомогти утримати температуру. Якщо очікується, що деталь потребує розсіювання великої кількості тепла, вам потрібно буде налити велику мідну заливку, щоб припаяти цю накладку.
Є три основні причини вимагати декількох шнурів живлення та заземлення.
Опір. Фішки можуть притягувати багато струму. Зокрема, мікросхеми CMOS (в основному будь-який сучасний цифровий ІС) притягують величезну кількість струму протягом дуже короткого періоду часу на кожен тактовий цикл. Будь-який імпеданс (у цьому випадку опір або індуктивність) в підключенні живлення призведе до перепадів напруги або падіння напруги в мережі розподілу електроенергії мікросхеми. Це може спричинити проблеми з надійною експлуатацією. Ось чому також використовуються байпасні конденсатори; вони не дозволяють цим комутаційним перехідним процесам впливати на інші компоненти на платі через рейки живлення, забезпечуючи зворотний шлях для струмів високої частоти, дуже близьких до мікросхеми. Великі мікросхеми фактично розміщують обхідні конденсатори безпосередньо на упаковці. Якщо ви подивитесь на сучасний процесор, Ви можете бачити обхідні конденсатори, припаяні до упаковки навколо відсіка мікросхеми та / або на дні, якщо в гнізді є отвір. Найкраще розмістити їх було б на самому штампі, але конденсатори займають багато кремнієвої площі, і тому це занадто дорого, щоб бути здійсненим у більшості випадків. Окремі аналогові штифти подачі використовуються для запобігання переключення шуму від цифрової частини мікросхеми від впливу аналогової частини живлення через опір штифта та / або з'єднувального проводу. Кілька штифтів подачі також необхідні для мікросхем, які споживають дуже велику кількість струму. Сучасний мікропроцесор може споживати близько 100 А при близько 1 вольта. Опір живильної мережі повинно бути дуже низьким, інакше втрачається дуже велика кількість тепла.
Багатократні вимоги до напруги. Іноді різні частини мікросхеми будуть працювати при різній напрузі. Класичний приклад - це низьковольтний сердечник та високий напруга вводу / виводу. Ядро використовує нижчу напругу для зменшення споживання електроенергії (споживання електроенергії в CMOS більш-менш пропорційно частоті та квадрату напруги, тому, якщо ви зможете знизити напругу на 30 відсотків, ви можете отримати 50-відсоткове зниження потужності) в той час як введення / виведення працює на більш високій напрузі, щоб краще взаємодіяти із зовнішніми схемами. Іноді напруга в сердечнику навіть змінюється. Це робиться в техніці оптимізації потужності, що називається динамічним масштабуванням напруги та частоти (DVFS). Коли міняється завантаження програмного забезпечення на мікросхемі, він буде командувати зміни частоти і напруги для економії енергії. Коли частота знижена, напруга також може бути знижена для досягнення '
Вимоги щодо цілісності сигналу. У сучасних мікросхемах сигнали на штифтах можуть переходити дуже швидко. Струм, необхідний цим переходам, вимагає зворотного шляху через живлення або заземлення. Якщо цей штифт знаходиться далеко, він закінчується створенням досить великої індуктивної петлі, яка впливає не тільки на силовий / заземлюючий штифт та на відповідний сигнальний штифт, але і на будь-які інші штифти в циклі завдяки магнітному полі. Це призводить до перехресних переговорів, коли один сигнал впливає на суміжні сигнали. Мікросхеми повинні бути розроблені не тільки з достатньою потужністю та заземленими штифтами для живлення, але і з штифтами в розумних місцях, щоб зменшити перехресні розмови.
Xilinx створив особливу схему потужності та заземлення під назвою рідкісний шеврон. Ідея полягає в тому, щоб створити патент силових і заземлюючих штифтів, які розміщуватимуть шляхи повернення якомога ближче до всіх штифтів вводу / виводу, не вимагаючи при цьому шаленої кількості шпильок живлення та заземлення. На малюнку нижче представлені всі шнури живлення та заземлення на Virtex 4 FPGA в пакеті BGA з 1513 контактами.
Висока концентрація штифтів Vccint і заземлення в центрі подає напругу в сердечнику до фактичної матриці FPGA. FPGA може витягати до 30 або 40 ампер при 1,2 вольтах. Велика кількість штифтів необхідна для забезпечення шляху низького опору для подачі великого струму до програмованого логічного масиву. Штифти Vccaux подають живлення на деякі підтримуючі схеми, включаючи інтерфейс JTAG. Модель Vcco та заземлюючих штифтів подають живлення в банки вводу / виводу. Вони також забезпечують зворотні шляхи для фактичних сигналів вводу / виводу. Кожен штифт вводу-виводу суміжний щонайменше з одним силовим або заземленим штифтом, мінімізуючи індуктивність і, отже, генеруючи перехресну розмову.
Деякі FPGA також мають високошвидкісні приймачі, які можуть бути швидкими, як 28 гігабіт в секунду. Високошвидкісні серіалізатори та десеріалізатори - це в основному дуже швидкісні аналогові схеми (якщо ви потрапляєте на досить високу швидкість, нічого вже насправді немає в цифровому форматі), тому їм потрібні спеціальні матеріали. Як правило, вони оснащені окремими лінійними регуляторами, щоб гарантувати правильність роботи цієї чутливої схеми та забезпечення перехідних процесів на багато ГГц не впливати ні на що інше.
Причиною окремих аналогових та цифрових VCC та Ground є відокремлення та збереження рейок в чистоті. Аналогові входи чутливі до цифрового шуму.
Причина декількох зовнішніх підстав може бути пов’язана з внутрішньою ефективністю електропроводки. Іноді не рекомендується внутрішньо прокладати землю на вафлі ІС. Але ще одна причина - відведення тепла. Для забезпечення більшої теплопровідності до друкованої плати, до якої підключений ІМС, використовуються декілька заземлюючих штифтів, включаючи з'єднання GND під корпусом.
Крім того, малювання багато струму може бути недоцільним лише на одному штирі. Подумайте про опір: ці дроти дуже тонкі і не можуть перенести сильний струм.
Таким чином, більш складний µC поширює свою навантаження на багато штирів. Це також часто є причиною того, що кабелі проводять дві або більше електроживлення, наприклад, Power-over-Ethernet.