Что там с рабочими напряжениями 5 В, 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В и т.д.?

Новые напряжения часто выбирались, чтобы обеспечить некоторую степень совместимости с тем, что было до них.

Например, выходные уровни 3V3 CMOS были совместимы с входами 5V TTL.

Требуется более низкий VDD, поскольку геометрия затвора сжимается. Это предотвращает повреждение оксида затвора КМОП и минимизирует утечку. Когда фабрики перешли с 0,5 мкм на 0,35 мкм, более тонкие затворы могли работать только с потенциалами до 3,6 В. Это привело к поставкам на уровне 3,3 В +/- 10%. С переключением на 0,18 мкм напряжение было снижено до 1,8 В +/- 10%. В новейших технологиях (например, 45 нм) затворы изготавливаются из диэлектриков с высоким значением k, таких как халфний, для уменьшения утечки.

Это сочетание нескольких факторов:

• условности - проще спроектировать систему, когда на микросхемы подается одинаковое напряжение. Еще более важно то, что напряжение питания определяет уровни напряжения цифровых выходов КМОП и пороги напряжения входов. Раньше стандартом для связи между чипами было 5 В, в настоящее время это 3,3 В, хотя в последнее время произошел взрыв последовательных интерфейсов связи с низким напряжением. Можно сказать, что здесь «промышленность» решает напряжение питания.
• Ограничения производственного процесса КМОП — по мере того, как МОП-транзисторы сжимаются, толщина изоляционного материала затвора и длина канала также уменьшаются. В результате напряжение питания должно быть снижено, чтобы избежать проблем с надежностью или повреждения. Чтобы поддерживать «удобное» напряжение питания на интерфейсах ввода-вывода (например, 3,3 В — см. выше), эти ячейки сделаны с использованием других (более крупных и медленных) транзисторов, чем ядро ​​чипа. Здесь «фабрика» (кто бы ни разработал там производственный процесс) определяет напряжение.
• Энергопотребление - при каждой генерации процесса чип может вмещать в 2 раза больше транзисторов, работающих на частоте в 2 раза выше (по крайней мере, так было до недавнего времени) - если ничего не делать, то это дает 2*2=4-кратное увеличение энергопотребления на единицу площади. Чтобы уменьшить его, напряжение питания уменьшается (или уменьшалось) пропорционально размерам транзистора, в результате чего мощность на единицу площади увеличивается в 2 раза. Здесь важен голос разработчика чипа.

В последнее время картина усложнилась - напряжение питания не может быть легко уменьшено из-за ограниченного собственного коэффициента усиления транзистора. Это усиление представляет собой компромисс (при заданном напряжении питания) между сопротивлением канала транзистора «включено», которое ограничивает скорость переключения, и сопротивлением «выключено», вызывающим утечку тока через него. Вот почему напряжение питания ядра стабилизировалось на уровне около 1 В, что привело к более медленному росту быстродействия новых цифровых интегральных схем и более быстрому росту их энергопотребления, чем раньше. Все становится еще хуже, если учесть изменчивость производственного процесса - если вы не можете достаточно точно установить пороговое напряжение переключения транзистора (а по мере того, как транзисторы становятся меньше, это становится очень сложно), разница между сопротивлениями «включено» / «выключено» исчезает.

Напряжения выглядят следующим образом:

• 3,3 В = 2/3 от 5 В
• 2,5 В = 1/2 от 5 В
• 1,8 В = ~ 1/3 от 5 В (1,7 будет ближе к 1/3, это, кажется, единственная странность)
• 1,2 В = 1/4 от 5 В

« Почему для небольших устройств требуется более низкое напряжение ?» Меньшие ИС имеют меньшую поверхность для отвода тепла. Всякий раз, когда бит переключается где-то в ИС, должен заряжаться или разряжаться конденсатор (т. е. емкость затвора КМОП-транзистора). Хотя транзисторы в цифровой ИС обычно очень и очень крошечные, их очень много, так что вопрос по-прежнему актуален. Энергия, запасенная в конденсаторе, равна 0,5*C*U^2. Удвоение напряжения вызовет в 2 ^ 2 = 4 раза больше энергии, которая должна использоваться для каждого затвора MOSFET. Таким образом, даже небольшой шаг вниз, скажем, с 2,5 В до 1,8 В принесет значительное улучшение. Вот почему разработчики ИС не просто придерживались 5 В в течение десятилетий и ждали, пока технология не будет готова к использованию 1,2 В, но использовали все другие забавные уровни напряжения между ними.

Краткий ответ: так сказали специалисты из TI, и все остальные последовали их примеру, создав совместимые или конкурирующие продукты.

5 Вольт было выбрано из соображений помехозащищенности . Ранние чипы были энергозависимыми, вызывая пульсации в источнике питания каждый раз, когда что-то переключалось, что разработчики пытались преодолеть, устанавливая конденсатор на выводы питания каждого чипа. Тем не менее, дополнительные 2,4 вольта запаса мощности дали им защиту от входа в запрещенную зону между 0,8 и 2,2 В. Кроме того, транзисторы вызвали падение напряжения ~0,4 В только за счет своей работы.

Напряжение питания падало, чтобы продлить срок службы батареи, а кристаллы микросхем уменьшались, что делало ваши портативные устройства меньше и легче. Более близкое расстояние между компонентами на микросхеме требует более низких напряжений, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев и потому, что более высокое напряжение может пройти через более тонкую изоляцию.

Тот, кто делает ИС, решает, какие напряжения ей нужны.

В старые времена кто-то начал использовать 5 В для цифровой логики, и это застряло на долгое время, главным образом потому, что гораздо сложнее продать чип, которому требуется 4 В, когда все разрабатывают множество чипов, работающих на 5 В.

iow: Причина, по которой все стремятся использовать одно и то же напряжение, не столько в том, что все они выбирают один и тот же процесс, сколько в том, что они не хотят быть проклятыми за использование «необычных» напряжений разработчиками, которые используют их чипы.

Переключение сигнала на определенной скорости требует больше энергии, если напряжение выше, поэтому при более высоких скоростях вам нужно более низкое напряжение, чтобы снизить ток, поэтому более быстрые, более плотные современные схемы, как правило, используют более низкие напряжения, чем старые чипы.

Многие чипы даже используют 3,3 В для ввода-вывода и более низкое напряжение, например 1,8 В для внутреннего ядра.

Разработчики чипов знают, что 1,8 В — это странное напряжение, и часто у них есть внутренний регулятор, обеспечивающий напряжение ядра для самого чипа, избавляя разработчика от необходимости генерировать напряжение ядра.

В качестве примера ситуации с двойным напряжением взгляните на ENC28J60, который работает от 3,3 В, но имеет внутренний стабилизатор 2,5 В.

Напряжения определяются физикой материалов (во всяком случае, полупроводниковых материалов) и процессами, используемыми при изготовлении чипа. (Надеюсь, я использую здесь правильные термины...) Различные типы полупроводников имеют разное напряжение промежутка — по сути, напряжение, которое их «активирует». Они также могут оптимизировать структуру чипа, чтобы более низкие напряжения работали более надежно при компоновке (я полагаю).

Дело не столько в том, что устройствам меньшего размера требуются более низкие напряжения, а в том, что они разработаны для использования меньших напряжений, потому что меньшее напряжение означает меньшее рассеивание тепла и потенциально более быструю работу. Легче иметь тактовый сигнал 10 МГц, если он должен находиться в диапазоне от 0 В до 1,8 В.