Những gì với điện áp hoạt động: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, vv

Mạch tích hợp dường như có điện áp tiêu chuẩn 5V, 3.3V, 2.5V. 1.8V ...

• Ai quyết định các điện áp này?
• Tại sao các thiết bị nhỏ hơn yêu cầu điện áp thấp hơn?

Điện áp mới thường được chọn để cung cấp một số mức độ tương thích với những gì xuất hiện trước chúng.

Chẳng hạn, các mức đầu ra 3V3 CMOS tương thích với các đầu vào 5V TTL.

Một VDD thấp hơn được yêu cầu khi hình dạng cổng co lại. Điều này ngăn ngừa thiệt hại cho oxit cổng CMOS và giảm thiểu rò rỉ. Khi các fab chuyển từ 0,5um sang 0,35um, các cổng mỏng hơn chỉ có thể xử lý các điện thế lên tới 3,6V. Điều đó dẫn đến nguồn cung ở mức 3,3V +/- 10%. Khi chuyển sang 0,18um, điện áp đã giảm xuống còn 1,8V +/- 10%. Trong các quy trình mới nhất (ví dụ 45nm), các cổng được làm bằng các chất điện môi có độ k cao như Halfnium để giảm rò rỉ.

Đó là sự kết hợp của một số yếu tố:

• quy ước - dễ dàng hơn để thiết kế một hệ thống khi các chip được cung cấp với cùng một điện áp. Điều quan trọng hơn nữa là điện áp cung cấp xác định các mức điện áp của đầu ra kỹ thuật số CMOS và ngưỡng điện áp của đầu vào. Tiêu chuẩn cho giao tiếp chip-chip được sử dụng là 5V, ngày nay là 3,3V, mặc dù gần đây đã có sự bùng nổ của các giao diện truyền thông nối tiếp xoay điện áp thấp. Bạn có thể nói rằng ở đây "ngành công nghiệp" quyết định điện áp cung cấp.
• Hạn chế quá trình sản xuất CMOS - khi các bóng bán dẫn MOS co lại, độ dày của vật liệu cách nhiệt cổng và chiều dài kênh cũng vậy. Kết quả là điện áp cung cấp phải được hạ xuống để tránh các vấn đề về độ tin cậy hoặc hư hỏng. Để duy trì điện áp cung cấp "thuận tiện" tại các giao diện I / O (như 3.3V - xem ở trên), các ô này được tạo bằng các bóng bán dẫn khác nhau (lớn hơn và chậm hơn) so với lõi của chip. Ở đây "fab" (bất cứ ai thiết kế quy trình sản xuất ở đó) quyết định điện áp.
• Tiêu thụ năng lượng - ở mỗi thế hệ quy trình, một con chip có thể chứa nhiều bóng bán dẫn hơn gấp 2 lần, chạy ở tần số cao hơn x2 (ít nhất là đúng cho đến gần đây) - nếu không có gì được thực hiện sẽ tăng mức tiêu thụ điện năng gấp 2 * 2 = 4 lần cho mỗi đơn vị diện tích. Để giảm bớt nó, điện áp cung cấp được (hoặc) giảm tỷ lệ xuống theo kích thước bóng bán dẫn, làm tăng gấp 2 lần diện tích công suất / đơn vị. Ở đây, giọng nói của người thiết kế chip rất quan trọng.

Gần đây, bức tranh trở nên phức tạp hơn - điện áp cung cấp không thể dễ dàng giảm xuống do mức tăng bóng bán dẫn nội tại hạn chế. Độ lợi này thể hiện sự đánh đổi (ở một điện áp cung cấp nhất định) giữa điện trở "bật" của kênh bóng bán dẫn, làm hạn chế tốc độ chuyển mạch và điện trở "tắt" gây ra rò rỉ dòng điện qua nó. Đó là lý do tại sao điện áp cung cấp lõi ổn định ở khoảng 1V khiến tốc độ của chip IC kỹ thuật số mới tăng chậm hơn và mức tiêu thụ năng lượng của chúng tăng nhanh hơn trước đây. Mọi thứ đang trở nên tồi tệ hơn nếu bạn xem xét sự biến thiên của quá trình sản xuất - nếu bạn không thể định vị chính xác điện áp ngưỡng của bóng bán dẫn (và khi các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ đi thì nó trở nên rất khó khăn), biên giữa các điện trở "bật" / "tắt" biến mất.

Các điện áp xuất hiện theo một mô hình:

• 3,3v = 2/3 của 5v
• 2,5v = 1/2 của 5v
• 1,8v = ~ 1/3 của 5v (1,7 sẽ gần bằng 1/3, đây dường như là số lẻ duy nhất)
• 1,2v = 1/4 của 5v

" Tại sao các thiết bị nhỏ hơn yêu cầu điện áp thấp hơn ?" IC nhỏ hơn có ít bề mặt để thoát nhiệt. Bất cứ khi nào một chút bật tắt ở đâu đó trong IC, một tụ điện phải được sạc hoặc xả (tức là điện dung cổng của một bóng bán dẫn CMOS). Mặc dù các transisotrs trong một IC kỹ thuật số thường rất rất nhỏ, nhưng có rất nhiều trong số chúng, vì vậy vấn đề vẫn rất quan trọng. Năng lượng được lưu trữ trong một tụ điện bằng 0,5 * C * U ^ 2. Hai lần điện áp sẽ gây ra 2 ^ 2 = 4 lần năng lượng phải được sử dụng cho mỗi cổng của MOSFET. Do đó, ngay cả một bước nhỏ từ, giả sử, 2.5V xuống 1.8V sẽ mang lại sự cải thiện đáng kể. Đó là lý do tại sao các nhà thiết kế vi mạch không gắn bó với 5V trong nhiều thập kỷ và chờ đợi cho đến khi công nghệ sẵn sàng sử dụng 1.2V, nhưng sử dụng tất cả các mức điện áp vui nhộn khác ở giữa.

Câu trả lời ngắn gọn: Các chuyên viên máy tính tại TI đã nói như vậy và mọi người khác cũng làm theo bằng cách tạo ra các sản phẩm tương thích hoặc cạnh tranh.

5 Volts đã được chọn để chống ồn . Những con chip ban đầu là nguồn điện, gây ra sự gợn sóng trong nguồn cung cấp mỗi khi có thứ gì đó chuyển đổi mà các nhà thiết kế sẽ cố gắng khắc phục bằng cách đặt một tụ điện vào chân cung cấp của mỗi chip. Mặc dù vậy, khoảng 2,4 volt của khoảng không gian đầu đã cho họ một tấm đệm chống lại việc đi vào khu vực cấm giữa 0,8V và 2,2V. Ngoài ra, các bóng bán dẫn gây ra sụt áp ~ 0,4 V chỉ bằng hoạt động của chúng.

Các điện áp cung cấp đã giảm xuống để kéo dài tuổi thọ pin, và vì các chip chết đã bị thu hẹp để làm cho các thiết bị cầm tay của bạn nhỏ hơn và nhẹ hơn. Khoảng cách gần hơn của các thành phần trên chip đòi hỏi điện áp thấp hơn để ngăn quá nhiệt và vì điện áp cao hơn có thể xuyên qua lớp cách điện mỏng hơn.

Bất cứ ai làm một IC quyết định về điện áp mà nó cần.

Vào thời xa xưa, một người nào đó bắt đầu sử dụng 5V cho logic kỹ thuật số và bị mắc kẹt trong một thời gian dài, chủ yếu là vì khó bán chip 4V khi mọi người đang thiết kế với rất nhiều chip chạy trên 5V.

iow: Lý do tất cả mọi người có xu hướng sử dụng cùng một điện áp không phải là vấn đề của tất cả họ khi chọn cùng một quy trình vì đó là vấn đề họ không muốn bị nguyền rủa vì sử dụng điện áp "bất thường" bởi các nhà thiết kế sử dụng chip của họ.

Việc chuyển đổi tín hiệu ở một tốc độ nhất định sẽ tốn nhiều năng lượng hơn nếu điện áp cao hơn, vì vậy với tốc độ cao hơn, bạn cần điện áp thấp hơn để giữ dòng điện xuống, đó là lý do tại sao các mạch hiện đại, nhanh hơn, có xu hướng sử dụng điện áp thấp hơn so với các chip cũ.

Nhiều chip thậm chí sử dụng 3,3V cho i / o và điện áp thấp hơn, như 1,8V cho lõi bên trong.

Các nhà thiết kế chip biết rằng 1.8V là điện áp lẻ và thường sẽ có bộ điều chỉnh bên trong để cung cấp điện áp lõi cho chính chip, giúp nhà thiết kế không phải tạo ra điện áp lõi.

Để biết ví dụ về tình huống điện áp kép, hãy xem ENC28J60 chạy trên 3.3V, nhưng có bộ điều chỉnh 2.5V bên trong.

Các điện áp được quyết định bởi vật lý của vật liệu (dù sao cũng là vật liệu bán dẫn) và các quy trình được sử dụng trong quá trình chế tạo chip. (Tôi hy vọng tôi đang sử dụng các thuật ngữ đúng ở đây ...) Các loại chất bán dẫn khác nhau có điện áp khoảng cách khác nhau - về cơ bản là điện áp 'kích hoạt' chúng. Họ cũng có thể tối ưu hóa cấu trúc của chip để cho phép điện áp thấp hoạt động đáng tin cậy hơn khi chúng bố trí (tôi tin).

Không quá nhiều khi các thiết bị nhỏ hơn yêu cầu điện áp thấp hơn, đó là họ đã thiết kế chúng để sử dụng điện áp nhỏ hơn vì điện áp ít hơn có nghĩa là tản nhiệt ít hơn và có khả năng hoạt động nhanh hơn. Sẽ dễ dàng hơn để có tín hiệu xung nhịp 10 MHz nếu nó chỉ phải đi trong khoảng từ 0V đến 1.8V.