Що стосується робочих напруг: 5 В, 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В тощо

Здається, інтегральні схеми мають стандартні напруги 5В, 3.3В, 2.5В. 1,8 В ...

• Хто вирішує ці напруги?
• Чому для менших пристроїв потрібні менші напруги?

Нові напруги часто вибираються, щоб дати певну ступінь сумісності з тим, що було раніше.

Вихідні рівні CMOS 3V3 сумісні, наприклад, з 5В TTL входами.

У міру зменшення геометрії затвора потрібен нижчий VDD. Це запобігає пошкодженню оксиду затвора CMOS і мінімізує витік. Коли панелі перейшли з 0,5 до 0,35 дюйма, тонкі ворота могли обробляти потенціали до 3,6 В. Це призвело до поставок на рівні 3,3 В +/- 10%. З перемикачем на 0,18 дюйма напруга знижувалося ще до 1,8 В +/- 10%. В останніх процесах (наприклад, 45 нм), ворота виготовлені з високоефективних діелектриків, таких як півніум для зменшення витоку.

Це поєднання кількох факторів:

• умовні умови - простіше спроектувати систему, коли мікросхеми подаються з однаковою напругою. Ще важливіше те, що напруга живлення визначає рівні напруги цифрових виходів CMOS та пороги напруги входів. Стандарт для зв’язку мікросхеми на мікросхему раніше був 5В, сьогодні - 3,3 В, хоча останнім часом відбувся вибух послідовних комунікаційних інтерфейсів низької напруги. Можна сказати, що тут "галузь" визначає напругу живлення.
• Обмеження у виробництві CMOS - у міру зменшення транзисторів MOS зменшуються товщина ізоляційного матеріалу затвора та довжина каналу. В результаті напруга живлення повинна бути знижена, щоб уникнути проблем надійності або пошкодження. Для підтримки "зручної" напруги живлення в інтерфейсах вводу / виводу (наприклад, 3,3 В - див. Вище) ці комірки виготовляються з використанням інших (більших і повільніших) транзисторів, ніж ядро ​​мікросхеми. Тут «fab» (хто б там не сконструював процес виготовлення) визначає напругу.
• Споживання електроенергії - при кожному поколінні технологічного процесора мікросхема може вмістити в 2 рази більше транзисторів, що працюють на більш високій частоті на х2 (принаймні, це було справедливо до недавнього часу) - якщо нічого не робити, це дає 2 * 2 = 4-кратне збільшення споживання енергії на одиницю площі. Для його зменшення напруга живлення (або була) зменшується пропорційно розмірам транзисторів, залишаючи в 2 рази збільшення потужності / одиниці площі. Тут важливий голос дизайнера мікросхем.

Останнім часом картина ускладнилася - напруга живлення не може легко зменшитись через обмежене внутрішнє посилення транзистора. Це посилення представляє компроміс (при заданій напрузі живлення) між "ввімкненим" опором транзисторного каналу, що обмежує швидкість перемикання, і опором "вимкнення", що викликає витік струму через нього. Ось чому напруга живлення в ядрі оселилося близько 1 В, що призвело до того, що швидкість нових цифрових мікросхем збільшується повільніше, а їх енергоспоживання зростає швидше, ніж раніше. Все погіршується, якщо врахувати мінливість виробничого процесу - якщо ви не можете розмістити порогову напругу перемикання транзистора досить точно (а оскільки транзистори стають меншими, стає дуже важко) межа між опорами "вмикання" та "вимкнення" зникає.

Здається, напруги відповідають схемі:

• 3.3v = 2/3 від 5v
• 2,5v = 1/2 від 5v
• 1,8 В = ~ 1/3 з 5 В (1,7 буде ближче до 1/3, це здається єдиним диваком)
• 1,2v = 1/4 від 5v

" Чому для менших пристроїв потрібна менша напруга ?" У менших ІМ є менше поверхні для позбавлення від тепла. Щоразу, коли трохи перемикається десь в ІС, конденсатор повинен бути заряджений або розряджений (тобто ємнісний затвор транзистора CMOS). Хоча транзистори в цифровому ІС зазвичай дуже крихітні, їх дуже багато, тому питання все ще важливе. Енергія, що зберігається в конденсаторі, дорівнює 0,5 * C * U ^ 2. Удвічі більше напруги призведе до 2 ^ 2 = в 4 рази більше енергії, яку потрібно використовувати для кожного затвора MOSFET. Тому навіть невеликий крок вниз від, скажімо, 2,5 В до 1,8 В принесе суттєве покращення. Ось чому дизайнери ІС не просто дотримувались 5В десятиліттями і чекали, поки технологія не буде готова використовувати 1.2V, але використовували всі інші смішні рівні напруги між ними.

Коротка відповідь: Гіки в TI сказали так, і всі інші пішли за цим, роблячи сумісні або конкуруючі продукти.

5 вольт було обрано для захисту від шуму . Ранні мікросхеми були ковзанами, що викликали пульсацію в джерелі живлення кожного разу, коли щось перемикалося, що дизайнери намагатимуться подолати, поставивши конденсатор на штифти живлення кожної мікросхеми. Незважаючи на це, додаткові 2,4-вольтові запаси дають їм подушку проти потрапляння в заборонену зону між 0,8 і 2,2 В. Також транзистори спричинили падіння напруги ~ 0,4 В саме завдяки їх роботі.

Напруги живлення падають, щоб продовжити термін служби акумулятора, і через те, що мікросхема мікросхема зменшується, щоб ваші портативні пристрої були меншими та легшими. Більш близький інтервал компонентів на мікросхемі вимагає зниження напруги для запобігання надмірного нагрівання і через те, що більш висока напруга може перетинати тонку ізоляцію.

Хто робить ІМС, приймає рішення про необхідні йому напруги.

За старих часів хтось почав використовувати 5В для цифрової логіки, і це затримувалося тривалий час, головним чином тому, що набагато складніше продати чіп, який потребує 4В, коли всі проектують з великою кількістю мікросхем, які працюють на 5В.

iow: Причина того, що всі прагнуть використовувати однакову напругу, полягає не стільки в тому, що всі вони вибирають один і той же процес, оскільки справа в тому, що вони не хочуть прокляватися за використання "незвичайних" напруг дизайнерів, які використовують свої мікросхеми.

Перемикання сигналу з певною швидкістю вимагає більшої потужності, якщо напруга вище, тому при більш високих швидкостях вам потрібні менші напруги, щоб стримувати струм вниз, тому швидші, щільніші, сучасні схеми, як правило, використовують менші напруги, ніж старі мікросхеми.

Багато мікросхем навіть використовують 3,3 В для вводу / виводу та меншої напруги, як 1,8 В для внутрішнього ядра.

Дизайнери мікросхем знають, що 1,8 В - це непарне напруга, і часто вони матимуть внутрішній регулятор для забезпечення напруги в сердечнику для самого мікросхеми, не шкодуючи дизайнера від необхідності генерувати напругу в ядрі.

Для прикладу подвійної напруги подивіться на ENC28J60, який працює на 3,3 В, але має внутрішній 2,5 В регулятор.

Напруги продиктовані фізикою матеріалів (так чи інакше напівпровідникових матеріалів) та процесами, які використовуються для виготовлення мікросхеми. (Я сподіваюся, що тут я використовую правильні терміни ...) У різних типів напівпровідників різні напруги зазору - по суті напруга, яка їх "активує". Вони також можуть оптимізувати структуру мікросхеми, щоб дозволити зниженій напрузі працювати надійніше, коли вони роблять макети (я вважаю).

Мало того, що менші пристрої потребують меншої напруги, це те, що вони спроектували їх використовувати менші напруги, оскільки менша напруга означає менший відвід тепла та потенційно більш швидку роботу. Простіше мати тактовий сигнал 10 МГц, якщо він повинен переходити лише від 0 до 1,8 В.