Lý do mà hầu hết các IC (ví dụ MCU) có nhiều chân (A / D) GND và (A) VCC là gì?
Nếu nó là để tăng hiệu suất của một IC, làm thế nào nó giúp hiệu suất? hoặc là dễ dàng hơn cho các nhà thiết kế IC để kết nối một số chân bên ngoài?
Một số dấu chân của IC có kết nối GND trong trường hợp này, nó giúp như thế nào? Nó có cải thiện hiệu suất của một IC nếu tôi rút GND trong trường hợp ngay cả khi không bắt buộc không?
Câu trả lời:
Ba lý do đến với tâm trí:
1) Hãy nhìn cận cảnh này về sự can đảm của vi điều khiển.
Có rất nhiều thứ đang diễn ra ở đó. Và mọi phần của cái chết đó đều cần sức mạnh. Nguồn điện đến từ bất kỳ một pin nào có thể sẽ phải mất đi rất nhiều thứ để đi đến mọi bộ phận của thiết bị. Nhiều đường dây điện cung cấp cho thiết bị nhiều lối đi để kéo điện từ, giúp điện áp không bị sụt giảm nhiều trong các sự kiện dòng điện cao.
2) Đôi khi các chân nguồn khác nhau cung cấp các thiết bị ngoại vi cụ thể trong chip. Điều này được thực hiện khi một số thiết bị ngoại vi nhất định cần làm sạch nguồn cung cấp điện áp càng tốt để hoạt động chính xác. Nếu các thiết bị ngoại vi chia sẻ nguồn điện mà phần còn lại của chip sử dụng, nó có thể bị nhiễu trên đường dây và điện áp xuống. Một ví dụ là nguồn cung cấp năng lượng tương tự. Bạn nhận thấy đó là điển hình để thấy pin AVCC trên MCU. Pin đó là nguồn cung cấp chuyên dụng chỉ dành cho các thiết bị ngoại vi tương tự trên chip. Thực sự, đây chỉ là một phần mở rộng của # 1 ở trên.
3) Không có gì lạ khi MCU cấp nguồn cho lõi của nó ở một điện áp nhưng vận hành các thiết bị ngoại vi ở một điện áp khác. Ví dụ, một chip ARM mà tôi đã làm việc với 1.8V được sử dụng gần đây cho lõi của nó. Tuy nhiên, các chân đầu ra kỹ thuật số sẽ cung cấp 3,3V khi được điều khiển ở mức cao. Do đó, chip yêu cầu nguồn cung cấp 1,8V và nguồn cung cấp 3,3V riêng biệt.
Điều chính cần nhớ là tất cả các chân cung cấp đó là vô cùng cần thiết để kết nối . Chúng không phải là tùy chọn, ngay cả khi làm công việc phát triển.
Đối với phần đệm dưới cùng trên chip, nó ở đó để có thêm khả năng tản nhiệt. Nhà thiết kế chip đã quyết định rằng vỏ và chân của chip có thể không làm giảm nhiệt ra khỏi silicon. Vì vậy, phần đệm thêm ở phía dưới hoạt động giống như một bộ tản nhiệt để giúp giữ nhiệt độ xuống. Nếu bộ phận được dự kiến sẽ tiêu tan rất nhiều nhiệt, bạn muốn có một lượng đồng lớn để hàn miếng đệm đó lên.
Có ba lý do chính để yêu cầu nhiều chân nguồn và chân đất.
Trở kháng. Chips có thể rút ra rất nhiều hiện tại. Các chip CMOS nói riêng (về cơ bản là bất kỳ IC kỹ thuật số hiện đại nào) đều thu được một lượng lớn dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn trên mỗi chu kỳ xung nhịp. Bất kỳ trở kháng nào (trong trường hợp này là điện trở hoặc điện cảm) trong kết nối cung cấp sẽ dẫn đến sự thay đổi điện áp hoặc sụt điện áp trong mạng phân phối điện của chip. Điều này có thể gây ra vấn đề với hoạt động đáng tin cậy. Đây cũng là lý do tại sao bỏ qua tụ điện được sử dụng; chúng ngăn chặn các quá trình chuyển đổi này ảnh hưởng đến các thành phần khác trên bo mạch thông qua các đường ray điện bằng cách cung cấp đường dẫn trở lại cho các dòng điện tần số rất gần với chip. Chip lớn thực sự đặt tụ điện bỏ qua trực tiếp trên gói. Nếu bạn nhìn vào một CPU hiện đại, bạn có thể thấy các tụ điện bypass được hàn vào gói xung quanh khuôn chip và / hoặc ở phía dưới nếu có lỗ hổng trong sơ đồ chân. Nơi tốt nhất để đặt chúng sẽ là trên thân máy, nhưng tụ điện chiếm rất nhiều diện tích silicon và do đó, điều này là quá đắt để có thể khả thi trong hầu hết các trường hợp. Các chân cung cấp tương tự riêng biệt được sử dụng để ngăn nhiễu chuyển đổi từ phần kỹ thuật số của chip ảnh hưởng đến phần tương tự của nguồn cung cấp thông qua trở kháng của pin và / hoặc dây liên kết. Nhiều chân cung cấp cũng được yêu cầu cho các chip tiêu thụ dòng điện rất lớn. Một bộ vi xử lý hiện đại có thể tiêu thụ khoảng 100 A ở khoảng 1 volt. Điện trở của dây cung cấp phải rất thấp, nếu không sẽ bị mất nhiệt rất đáng kể.
Nhiều yêu cầu điện áp. Đôi khi các phần khác nhau của chip sẽ chạy ở các điện áp khác nhau. Một ví dụ cổ điển là lõi điện áp thấp và I / O điện áp cao. Lõi sử dụng điện áp thấp hơn để giảm mức tiêu thụ điện năng (mức tiêu thụ điện năng trong CMOS ít nhiều tỷ lệ thuận với tần số và bình phương điện áp, vì vậy nếu bạn có thể hạ thấp điện áp xuống 30%, bạn có thể giảm 50% năng lượng) trong khi I / O chạy ở điện áp cao hơn để giao tiếp tốt hơn với mạch ngoài. Đôi khi điện áp lõi thậm chí là thay đổi. Điều này được thực hiện trong một kỹ thuật tối ưu hóa năng lượng được gọi là điện áp động và thang đo tần số (DVFS). Khi phần mềm tải trên chip thay đổi, nó sẽ ra lệnh thay đổi tần số và điện áp để tiết kiệm điện. Khi tần số được hạ xuống, điện áp cũng có thể được hạ xuống để đạt được '
Yêu cầu toàn vẹn tín hiệu. Trong các chip hiện đại, tín hiệu trên chân có thể chuyển đổi rất nhanh. Dòng điện được yêu cầu bởi các chuyển đổi này yêu cầu đường dẫn trở lại thông qua nguồn điện hoặc pin mặt đất. Nếu chân này ở xa, cuối cùng nó sẽ tạo ra một vòng cảm ứng khá lớn, nó không chỉ ảnh hưởng đến chân nguồn / chân đất và chân tín hiệu được đề cập, mà còn bất kỳ chân nào khác trong vòng lặp do từ trường. Điều này dẫn đến nhiễu xuyên âm nơi một tín hiệu ảnh hưởng đến các tín hiệu lân cận. Chip phải được thiết kế không chỉ với đủ nguồn và chân tiếp đất để cung cấp năng lượng, mà còn với các chân ở vị trí hợp lý để giảm nhiễu xuyên âm.
Xilinx đã tạo ra một sơ đồ pinout điện và mặt đất cụ thể được gọi là chevron thưa thớt. Ý tưởng là tạo ra một patten của chân nguồn và chân đất đặt các đường dẫn trở lại càng gần càng tốt với tất cả các chân I / O, trong khi không yêu cầu số lượng chân nguồn và chân đất điên rồ. Hình dưới đây đại diện cho tất cả các chân nguồn và nối đất trên Virtex 4 FPGA trong gói BGA với 1513 chân.
Nồng độ cao của Vccint và chân nối đất ở trung tâm cung cấp điện áp lõi cho khuôn chết thực tế. Các FPGA có thể vẽ lên đến 30 hoặc 40 amps ở 1,2 volt. Số lượng chân cao là cần thiết để cung cấp đường dẫn trở kháng thấp để cung cấp dòng điện cao cho mảng logic lập trình được. Các chân Vccaux cung cấp năng lượng cho một số mạch hỗ trợ, bao gồm giao diện JTAG. Mô hình của Vcco và chân tiếp đất cung cấp năng lượng cho các ngân hàng I / O. Họ cũng cung cấp đường dẫn trả về cho tín hiệu I / O thực tế. Mỗi chân I / O liền kề với ít nhất một chân nguồn hoặc chân tiếp đất, giảm thiểu độ tự cảm và do đó nhiễu xuyên âm được tạo ra.
Một số đồ họa cũng kết hợp các bộ thu phát tốc độ cao có thể nhanh tới 28 gigabit mỗi giây. Các serial serial và deserializer tốc độ cao về cơ bản là mạch tương tự tốc độ rất cao (một trong số đó bạn có tốc độ đủ cao, không có gì thực sự là kỹ thuật số nữa) và vì vậy chúng cần nguồn cung cấp chuyên dụng. Nói chung, chúng được cung cấp với các bộ điều chỉnh tuyến tính riêng biệt để đảm bảo rằng mạch nhạy cảm này hoạt động chính xác và để đảm bảo giá trị chuyển tiếp nhiều GHz không ảnh hưởng xấu đến bất cứ điều gì khác.
Lý do cho VCC và Ground tương tự và kỹ thuật số riêng biệt là để tách và giữ cho đường ray sạch sẽ. Đầu vào tương tự nhạy cảm với nhiễu kỹ thuật số.
Lý do cho nhiều căn cứ bên ngoài có thể là do hiệu quả hệ thống dây điện bên trong. Đôi khi nó không thực tế để định tuyến mặt đất bên trong trên wafer IC. Nhưng một lý do khác là tản nhiệt. Nhiều chân nối đất, bao gồm các kết nối GND trong vỏ, được sử dụng để đảm bảo dẫn nhiệt nhiều hơn cho PCB mà IC được kết nối.
Ngoài ra, vẽ nhiều dòng điện có thể không thực tế trên một pin. Hãy suy nghĩ về điện trở: những dây đó rất mỏng và không thể mang nhiều dòng điện.
Do đó, một loạiCC phức tạp hơn trải đều yêu cầu tải của nó trên nhiều chân. Đây cũng thường là lý do tại sao cáp mang hai hoặc nhiều đường dây được cấp nguồn, ví dụ như Power-over-Ethernet.