Was ist mit den betriebsspannungen: 5 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, etc.

Integrierte Schaltungen scheinen Standardspannungen von 5 V, 3,3 V, 2,5 V zu haben. 1,8 V ...

• Wer entscheidet über diese Spannungen?
• Warum benötigen kleinere Geräte niedrigere Spannungen?

Neue Spannungen wurden oft gewählt, um ein gewisses Maß an Kompatibilität mit dem zu gewährleisten, was vor ihnen lag.

Beispielsweise waren 3V3-CMOS-Ausgangspegel mit 5V-TTL-Eingängen kompatibel.

Eine niedrigere VDD ist erforderlich, da die Gate-Geometrie abnimmt. Dies verhindert eine Beschädigung des CMOS-Gateoxids und minimiert ein Lecken. Wenn die Fabs von 0,5 auf 0,35 umgeschaltet wurden, konnten die dünneren Gates nur Potentiale bis zu 3,6 V verarbeiten. Dies führte zu einer Versorgungsspannung von 3,3 V +/- 10%. Mit dem Schalter auf 0.18um wurde die Spannung weiter auf 1.8V +/- 10% reduziert. In den neuesten Prozessen (z. B. 45 nm) werden die Gates aus High-k-Dielektrika wie Halfnium hergestellt, um Leckagen zu reduzieren.

Das ist eine Kombination mehrerer Faktoren:

• Konventionen - es ist einfacher, ein System zu entwerfen, wenn die Chips mit der gleichen Spannung versorgt werden. Noch wichtiger ist, dass die Versorgungsspannung die Spannungspegel der digitalen CMOS-Ausgänge und die Spannungsschwellen der Eingänge bestimmt. Früher war der Standard für die Kommunikation von Chip zu Chip 5 V, heute sind es 3,3 V, obwohl es in letzter Zeit eine Explosion von seriellen Kommunikationsschnittstellen mit schwankender Spannung gab. Man könnte sagen, dass hier "die Industrie" die Versorgungsspannung bestimmt.
• Einschränkungen des CMOS-Herstellungsprozesses - wenn die MOS-Transistoren schrumpfen, schrumpfen auch die Dicke des Gate-Isolationsmaterials und die Kanallänge. Infolgedessen muss die Versorgungsspannung gesenkt werden, um Zuverlässigkeitsprobleme oder Beschädigungen zu vermeiden. Um eine "bequeme" Versorgungsspannung an den E / A-Schnittstellen (wie 3,3 V - siehe oben) aufrechtzuerhalten, werden diese Zellen mit anderen (größeren und langsameren) Transistoren als der Kern des Chips hergestellt. Hier entscheidet die "Fabrik" (wer auch immer den Herstellungsprozess dort entworfen hat) über die Spannung.
• Stromverbrauch - bei jeder Prozessgeneration kann ein Chip 2x mehr Transistoren aufnehmen, die mit x2 höherer Frequenz betrieben werden (zumindest bis vor kurzem) - wenn nichts unternommen wird, was den Stromverbrauch pro Flächeneinheit um das 2 * 2 = 4-fache erhöht. Um dies zu reduzieren, wird (oder wurde) die Versorgungsspannung proportional zu den Transistorgrößen verkleinert, wodurch die Leistung / Einheitsfläche um das Zweifache vergrößert wird. Hier ist die Stimme des Chipdesigners wichtig.

In letzter Zeit wurde das Bild komplizierter - die Versorgungsspannung kann aufgrund der begrenzten Verstärkung der intrinsischen Transistoren nicht einfach verkleinert werden. Diese Verstärkung stellt einen Kompromiss dar (bei einer gegebenen Versorgungsspannung) zwischen dem "Ein" -Widerstand des Transistorkanals, der die Schaltgeschwindigkeit begrenzt, und dem "Aus" -Widerstand, der einen Stromverlust durch ihn verursacht. Aus diesem Grund lag die Kernversorgungsspannung bei etwa 1 V, wodurch die Geschwindigkeit neuer digitaler IC-Chips langsamer und der Stromverbrauch schneller zunimmt als früher. Wenn Sie die Variabilität des Herstellungsprozesses berücksichtigen, wird es immer schlimmer. Wenn Sie die Transistor-Schaltschwellenspannung nicht genau genug positionieren können (und wenn die Transistoren kleiner werden, wird es sehr schwierig), verschwindet die Spanne zwischen "Ein" / "Aus" -Widerständen.

Die Spannungen scheinen einem Muster zu folgen:

• 3,3 V = 2/3 von 5 V
• 2,5 V = 1/2 von 5 V
• 1,8 V = ~ 1/3 von 5 V (1,7 wäre näher an 1/3, dies scheint die einzige Kuriosität zu sein)
• 1,2 V = 1/4 von 5 V

" Warum benötigen kleinere Geräte niedrigere Spannungen ?" Kleinere ICs haben weniger Oberfläche, um die Wärme abzuleiten. Wann immer ein Bit irgendwo in einem IC umschaltet, muss ein Kondensator geladen oder entladen werden (dh die Gatekapazität eines CMOS-Transistors). Obwohl die Transisotren in einem digitalen IC normalerweise sehr, sehr klein sind, gibt es viele von ihnen, so dass das Problem immer noch wichtig ist. Die in einem Kondensator gespeicherte Energie beträgt 0,5 * C * U ^ 2. Die doppelte Spannung verursacht das 2 ^ 2 = 4-fache der Energie, die für jedes MOSFET-Gate benötigt wird. Daher bringt eine kleine Verringerung von beispielsweise 2,5 V auf 1,8 V eine erhebliche Verbesserung. Das ist der Grund, warum IC-Designer nicht jahrzehntelang bei 5 V blieben und darauf warteten, dass die Technologie für 1,2 V einsatzbereit war, sondern alle anderen lustigen Spannungspegel dazwischen verwendeten.

Kurze Antwort: Die Geeks bei TI sagten es und alle anderen folgten dem Beispiel, indem sie kompatible oder konkurrierende Produkte herstellten.

Für die Störfestigkeit wurden 5 Volt gewählt . Frühe Chips waren Stromfresser und verursachten jedes Mal eine Welligkeit im Netzteil, wenn etwas umgeschaltet wurde, das die Entwickler zu überwinden versuchten, indem sie einen Kondensator auf die Versorgungsstifte jedes Chips setzten. Trotzdem gaben ihnen zusätzliche 2,4 Volt Headroom ein Polster gegen das Eindringen in den verbotenen Bereich zwischen 0,8 V und 2,2 V. Außerdem verursachten die Transistoren allein durch ihren Betrieb einen Spannungsabfall von ~ 0,4 V.

Die Versorgungsspannungen sind gesunken, um die Batterielebensdauer zu verlängern, und weil die Chip-Chips schrumpften, wurden Ihre tragbaren Geräte kleiner und leichter. Der engere Abstand der Bauelemente auf dem Chip erfordert niedrigere Spannungen, um eine übermäßige Erwärmung zu verhindern, und weil die höhere Spannung durch die dünnere Isolierung gehen könnte.

Wer einen IC baut, entscheidet über die benötigten Spannungen.

Früher hat jemand angefangen, 5V für digitale Logik zu verwenden, und das blieb lange Zeit so, vor allem, weil es viel schwieriger ist, einen Chip zu verkaufen, der 4V benötigt, wenn jeder mit vielen Chips arbeitet, die mit 5V betrieben werden.

iow: Der Grund, warum jeder die gleiche Spannung verwendet, liegt weniger darin, dass alle den gleichen Prozess wählen, als dass sie nicht verflucht sein wollen, weil sie von den Designern, die ihre Chips verwenden, "ungewöhnliche" Spannungen verwenden.

Das Umschalten eines Signals mit einer bestimmten Geschwindigkeit nimmt bei höherer Spannung mehr Leistung in Anspruch. Bei höheren Geschwindigkeiten sind daher niedrigere Spannungen erforderlich, um den Strom niedrig zu halten. Deshalb verwenden die schnelleren, dichteren, modernen Schaltungen in der Regel niedrigere Spannungen als die alten Chips.

Viele Chips verwenden sogar 3,3 V für E / A und eine niedrigere Spannung, wie 1,8 V für den internen Kern.

Chipdesigner wissen, dass 1,8 V eine seltsame Spannung ist und häufig über einen internen Regler verfügen, der die Kernspannung für den Chip selbst bereitstellt. Dies erspart dem Designer die Erzeugung der Kernspannung.

Ein Beispiel für die Situation mit zwei Spannungen ist die ENC28J60, die mit 3,3 V betrieben wird, aber einen internen 2,5-V-Regler hat.

Die Spannungen werden von der Physik der Materialien (jedenfalls Halbleitermaterialien) und den Prozessen bestimmt, die bei der Herstellung des Chips verwendet werden. (Ich hoffe, ich verwende hier die richtigen Begriffe ...) Verschiedene Arten von Halbleitern haben unterschiedliche Gap-Spannungen - im Wesentlichen die Spannung, die sie "aktiviert". Sie können auch die Struktur des Chips optimieren, damit niedrigere Spannungen bei Layouts zuverlässiger funktionieren (glaube ich).

Kleinere Geräte benötigen nicht so sehr niedrigere Spannungen, sondern sie wurden für die Verwendung geringerer Spannungen entwickelt, da weniger Spannung eine geringere Wärmeabgabe und möglicherweise einen schnelleren Betrieb bedeutet. Es ist einfacher, ein 10-MHz-Taktsignal zu haben, wenn es nur zwischen 0 V und 1,8 V liegen muss.