Grund für mehrere GND und VCC auf einem IC

Was ist der Grund, warum die meisten ICs (z. B. MCU) mehrere (A / D) GND- und (A) VCC-Pins haben?

Wie kann die Leistung eines IC gesteigert werden? oder ist es für den IC-Designer einfacher, einige Stifte extern anzuschließen?

Einige ICs haben eine GND-Verbindung unter dem Gehäuse. Wie hilft das? Würde es die Leistung eines IC verbessern, wenn ich eine GND unter das Gehäuse ziehe, auch wenn dies nicht erforderlich ist?

Drei Gründe kommen in den Sinn:

1) Sehen Sie sich diese Nahaufnahme der Eingeweide eines Mikrocontrollers an.

Da ist eine Menge los. Und jeder Teil dieses Würfels braucht Kraft. Der Strom, der von einem Pin eingeht, muss sich wahrscheinlich um eine Menge Dinge schlängeln, um an jeden Teil des Geräts zu gelangen. Mehrere Stromleitungen bieten dem Gerät mehrere Möglichkeiten, Strom zu ziehen, wodurch verhindert wird, dass die Spannung bei Hochstromereignissen so stark abfällt.

2) Manchmal versorgen die verschiedenen Stromanschlüsse bestimmte Peripheriegeräte innerhalb des Chips. Dies geschieht, wenn bestimmte Peripheriegeräte eine möglichst saubere Spannungsversorgung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Wenn die Peripheriegeräte die Stromversorgung teilen, die der Rest des Chips verwendet, kann es zu Rauschen auf der Leitung und Spannungseinbrüchen kommen. Ein Beispiel ist die analoge Stromversorgung. Sie haben bemerkt, dass es typisch ist, einen AVCC-Pin auf MCUs zu sehen. Dieser Pin ist eine dedizierte Versorgung nur für die analogen Peripheriegeräte auf dem Chip. Wirklich, das ist nur eine Erweiterung von # 1 oben.

3) Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine MCU ihren Kern mit einer Spannung versorgt, aber Peripheriegeräte mit einer anderen Spannung betreibt. Zum Beispiel verwendete ein ARM-Chip, mit dem ich vor kurzem gearbeitet habe, 1,8 V für seinen Kern. Die digitalen Ausgangspins würden jedoch 3,3 V liefern, wenn sie hoch angesteuert würden. Daher benötigte der Chip eine 1,8-V-Versorgung und eine separate 3,3-V-Versorgung.

Die wichtigste Sache zu erinnern ist , dass alle diese Versorgungsstifte sind absultely notwendig zu verbinden . Sie sind auch bei Entwicklungsarbeiten nicht optional.

Das untere Pad auf dem Chip sorgt für zusätzliche Wärmeableitung. Der Chipdesigner entschied, dass das Gehäuse und die Stifte des Chips die Wärme möglicherweise nicht ausreichend vom Silizium ableiten. Das zusätzliche Pad auf der Unterseite wirkt wie ein Kühlkörper, um die Temperatur niedrig zu halten. Wenn erwartet wird, dass das Teil viel Wärme abführen muss, sollten Sie ein großes Kupfergussstück verwenden, um das Pad aufzulöten.

Es gibt drei Hauptgründe, warum mehrere Strom- und Erdungsstifte erforderlich sind.

1. Impedanz. Chips können viel Strom ziehen. Insbesondere CMOS-Chips (im Grunde jedes moderne digitale IC) ziehen in jedem Taktzyklus für sehr kurze Zeit große Strommengen. Jede Impedanz (in diesem Fall Widerstand oder Induktivität) im Versorgungsanschluss führt zu Spannungsschwankungen oder Spannungsabfällen im Stromverteilungsnetz des Chips. Dies kann Probleme mit dem zuverlässigen Betrieb verursachen. Dies ist auch der Grund, warum Überbrückungskondensatoren verwendet werden. Sie verhindern, dass diese Schalttransienten andere Komponenten auf der Platine über die Stromschienen beeinflussen, indem sie einen Rückweg für die hochfrequenten Ströme in unmittelbarer Nähe des Chips bereitstellen. Große Chips platzieren Bypass-Kondensatoren direkt auf dem Gehäuse. Wenn Sie sich eine moderne CPU ansehen, Sie sehen Bypass-Kondensatoren, die an der Baugruppe um den Chip-Chip und / oder an der Unterseite angelötet sind, wenn sich in der Pinbelegung ein Loch befindet. Der beste Platz, um sie zu platzieren, wäre auf dem Chip selbst, aber Kondensatoren belegen viel Siliziumfläche und daher ist dies in den meisten Fällen zu teuer, um durchführbar zu sein. Separate analoge Versorgungsstifte werden verwendet, um zu verhindern, dass Schaltrauschen vom digitalen Teil des Chips den analogen Teil der Versorgung über die Impedanz des Stifts und / oder des Bonddrahts beeinflusst. Für Chips, die sehr viel Strom verbrauchen, sind auch mehrere Versorgungsstifte erforderlich. Ein moderner Mikroprozessor kann ungefähr 100 A bei ungefähr 1 Volt verbrauchen. Der Widerstand der Zuleitung muss sehr gering sein, da sonst sehr viel Wärme verloren geht.

2. Mehrere Spannungsanforderungen. Manchmal werden unterschiedliche Teile eines Chips mit unterschiedlichen Spannungen betrieben. Ein klassisches Beispiel ist ein Niederspannungskern und eine Hochspannungs-E / A. Der Kern verwendet eine niedrigere Spannung, um den Stromverbrauch zu reduzieren (der Stromverbrauch im CMOS ist mehr oder weniger proportional zur Frequenz und zum Quadrat der Spannung. Wenn Sie also die Spannung um 30 Prozent senken können, können Sie die Leistung um 50 Prozent reduzieren). während die E / A mit einer höheren Spannung betrieben wird, um eine bessere Verbindung mit externen Schaltkreisen herzustellen. Manchmal ist die Kernspannung sogar variabel. Dies geschieht in einer Energieoptimierungstechnik, die als dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS) bezeichnet wird. Wenn sich die Softwarelast auf dem Chip ändert, werden Frequenz und Spannung geändert, um Energie zu sparen. Wenn die Frequenz erniedrigt wird, kann die Spannung auch erniedrigt werden, um a 'zu erreichen.

3. Anforderungen an die Signalintegrität. In modernen Chips können Signale an Pins sehr schnell übergehen. Der Strom, der für diese Übergänge benötigt wird, erfordert einen Rückweg durch einen Strom- oder Erdungsstift. Wenn dieser Stift weit entfernt ist, entsteht eine ziemlich große Induktionsschleife, die nicht nur den Leistungs- / Erdungsstift und den betreffenden Signalstift betrifft, sondern auch alle anderen Stifte in der Schleife aufgrund des Magnetfelds. Dies führt zu Übersprechen, wenn ein Signal benachbarte Signale beeinflusst. Chips müssen nicht nur mit genügend Strom und Erdungsstiften zur Stromversorgung ausgestattet sein, sondern auch mit Stiften an angemessenen Stellen, um das Übersprechen zu verringern.

Xilinx hat ein spezielles Stromversorgungs- und Erdungsbelegungsschema namens Sparse Chevron entwickelt. Die Idee ist, ein Muster aus Stromversorgungs- und Erdungsstiften zu erstellen, bei dem die Rückleitungen so nah wie möglich an allen E / A-Stiften liegen, ohne dass eine irrsinnige Anzahl von Stromversorgungs- und Erdungsstiften erforderlich ist. Die folgende Abbildung zeigt alle Stromversorgungs- und Erdungspins eines Virtex 4-FPGA in einem BGA-Gehäuse mit 1513 Pins.

Die hohe Konzentration von Vccint und Erdungsstiften in der Mitte liefert die Kernspannung an den eigentlichen FPGA-Chip. Der FPGA kann bis zu 30 oder 40 Ampere bei 1,2 Volt aufnehmen. Die hohe Anzahl von Pins ist erforderlich, um einen niederohmigen Pfad für die Hochstromversorgung des programmierbaren Logikarrays bereitzustellen. Die Vccaux-Pins versorgen einige unterstützende Schaltkreise, einschließlich der JTAG-Schnittstelle, mit Strom. Das Muster aus Vcco und Erdungsstiften versorgt die E / A-Bänke mit Strom. Sie stellen auch Rückwege für die tatsächlichen E / A-Signale bereit. Jeder E / A-Pin grenzt an mindestens einen Leistungs- oder Erdungspin an, wodurch die Induktivität und damit das erzeugte Übersprechen minimiert wird.

Einige FPGAs enthalten auch Hochgeschwindigkeits-Transceiver, die bis zu 28 Gigabit pro Sekunde erreichen können. Die Hochgeschwindigkeits-Serialisierer und -Deserialisierer sind im Grunde genommen sehr schnelle analoge Schaltungen (eine, die hoch genug ist, nichts ist mehr wirklich digital) und benötigen daher dedizierte Betriebsmittel. Im Allgemeinen werden diese mit separaten Linearreglern geliefert, um sicherzustellen, dass diese empfindlichen Schaltkreise ordnungsgemäß funktionieren und dass die vielen GHz-Transienten nichts anderes nachteilig beeinflussen.

Der Grund für die Trennung von analogem und digitalem VCC und Masse besteht darin, die Schienen zu trennen und sauber zu halten. Analoge Eingänge sind empfindlich gegen digitales Rauschen.

Der Grund für mehrere externe Erdungen kann in der internen Verkabelung liegen. Manchmal ist es nicht praktisch, eine Erdung intern auf dem IC-Wafer zu verlegen. Ein weiterer Grund ist die Wärmeabgabe. Mehrere Erdungsstifte, einschließlich der GND-Anschlüsse unter dem Gehäuse, sorgen für eine bessere Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte, an die der IC angeschlossen ist.

Es kann auch unpraktisch sein, nur an einem Stift viel Strom zu ziehen. Denken Sie an den Widerstand: Diese Drähte sind sehr dünn und können nicht viel Strom führen.

Somit verteilt ein komplexerer µC seinen Lastbedarf auf viele Pins. Dies ist auch oft der Grund, warum Kabel zwei oder mehr Stromleitungen führen, z. B. Power-over-Ethernet.