อะไรคือสาเหตุที่ ICs ส่วนใหญ่ (เช่น MCU) มีหลาย (A / D) GND และ (A) VCC พิน
ถ้าเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของ IC มันจะช่วยประสิทธิภาพได้อย่างไร หรือมันง่ายกว่าสำหรับผู้ออกแบบ IC ในการเชื่อมต่อพินภายนอกหรือไม่?
รอยเท้าบางส่วนของไอซีมีการเชื่อมต่อ GND ในกรณีนี้มันช่วยได้อย่างไร? มันจะปรับปรุงประสิทธิภาพของ IC ถ้าฉันวาด GND ภายใต้กรณีแม้ว่ามันจะไม่จำเป็น?
คำตอบ:
เหตุผลสามประการที่ทำให้นึกถึง:
1) ดูที่ความใกล้ชิดของไส้ในของไมโครคอนโทรลเลอร์
มีหลายอย่างเกิดขึ้นในนั้น และทุกส่วนของความตายนั้นต้องการพลัง พลังที่เข้ามาจากขาใดอันหนึ่งอาจจะต้องใช้งูไปรอบ ๆ สิ่งต่าง ๆ มากมายเพื่อไปยังทุกส่วนของอุปกรณ์ สายไฟหลายเส้นให้อุปกรณ์หลายช่องทางในการดึงพลังงานซึ่งช่วยป้องกันแรงดันไฟฟ้าจากการจุ่มได้มากในช่วงเหตุการณ์ปัจจุบัน
2) บางครั้งพินกำลังที่แตกต่างกันจะให้อุปกรณ์ต่อพ่วงเฉพาะภายในชิป สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์ต่อพ่วงบางตัวต้องการทำความสะอาดแรงดันไฟฟ้าให้มากที่สุด หากอุปกรณ์ต่อพ่วงใช้แหล่งจ่ายไฟที่ส่วนที่เหลือของชิปใช้อาจเป็นไปได้ว่าเสียงรบกวนบนสายและแรงดันไฟลดลง ตัวอย่างคือแหล่งจ่ายไฟแบบอะนาล็อก คุณสังเกตเห็นว่าเป็นเรื่องปกติที่จะเห็น AVCC pin บน MCUs พินนั้นเป็นแหล่งจ่ายเฉพาะสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอะนาล็อกบนชิป จริงๆแล้วนี่เป็นเพียงส่วนขยาย # 1 ด้านบน
3) ไม่ใช่เรื่องผิดปกติที่ MCU จะจ่ายกำลังให้กับแกนที่แรงดันหนึ่ง แต่ใช้งานอุปกรณ์ต่อพ่วงที่อื่น ตัวอย่างเช่นชิป ARM ที่ฉันทำงานด้วยเพิ่งใช้ 1.8V สำหรับแกนของมัน อย่างไรก็ตามขาออกดิจิตอลจะให้ 3.3V เมื่อขับเคลื่อนสูง ดังนั้นชิปจึงจำเป็นต้องมีแหล่งจ่าย 1.8V และแหล่งจ่าย 3.3V แยกต่างหาก
สิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้คือว่าทั้งหมดของหมุดอุปทานเหล่านี้จะabsultely จำเป็นต้องเชื่อมต่อ พวกมันไม่ใช่ทางเลือกแม้เมื่อทำงานพัฒนา
สำหรับแผ่นด้านล่างของชิปนั้นมีไว้สำหรับระบายความร้อนเป็นพิเศษ ผู้ออกแบบชิปตัดสินใจว่าปลอกและหมุดของชิปอาจไม่ระบายความร้อนออกจากซิลิคอนเพียงพอ ดังนั้นแผ่นเสริมด้านล่างทำหน้าที่เหมือนแผ่นระบายความร้อนเพื่อช่วยให้อุณหภูมิลดลง หากคาดว่าชิ้นส่วนนี้จะต้องระบายความร้อนจำนวนมากคุณจะต้องมีทองแดงขนาดใหญ่เทเพื่อบัดกรีแผ่นที่ลงบน
มีสามเหตุผลหลักที่ต้องใช้กำลังหลายและพินกราวด์
ความต้านทาน ชิปสามารถวาดกระแสได้มากมาย ชิป CMOS โดยเฉพาะ (โดยทั่วไป IC ดิจิตอลที่ทันสมัย) จะดึงกระแสจำนวนมากในช่วงเวลาสั้น ๆ ในทุกรอบนาฬิกา ความต้านทานใด ๆ (ในกรณีนี้คือความต้านทานหรือตัวเหนี่ยวนำ) ในการเชื่อมต่อแหล่งจ่ายจะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าตกในเครือข่ายการกระจายอำนาจของชิป สิ่งนี้อาจทำให้เกิดปัญหากับการทำงานที่เชื่อถือได้ นี่คือเหตุผลที่บายพาสตัวเก็บประจุใช้; พวกมันป้องกันการสลับชั่วครู่จากการกระทบกระเทือนส่วนประกอบอื่น ๆ บนบอร์ดผ่านรางพลังงานโดยให้เส้นทางกลับสำหรับกระแสความถี่สูงที่อยู่ใกล้กับชิปมาก ชิปขนาดใหญ่วางตัวเก็บประจุบายพาสโดยตรงบนแพ็คเกจ ถ้าคุณดู CPU ที่ทันสมัย คุณสามารถดูบายพาสตัวเก็บประจุบัดกรีไปยังแพ็คเกจรอบ ๆ ชิพตายและ / หรือที่ด้านล่างหากมีรูในพินท์ สถานที่ที่ดีที่สุดที่จะนำพวกเขาไปอยู่บนตัวของมันเอง แต่ตัวเก็บประจุใช้พื้นที่ซิลิคอนจำนวนมากและดังนั้นมันจึงมีราคาแพงเกินไปที่จะเป็นไปได้ในกรณีส่วนใหญ่ หมุดแหล่งจ่ายแบบอะนาล็อกแยกใช้เพื่อป้องกันเสียงรบกวนจากส่วนดิจิตอลของชิปที่มีผลต่อส่วนอะนาล็อกของแหล่งจ่ายผ่านอิมพิแดนซ์ของพินและ / หรือสายบอนด์ ต้องใช้หมุดจ่ายหลายอันสำหรับชิปที่ใช้กระแสไฟฟ้าจำนวนมาก ไมโครโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยสามารถใช้พลังงานประมาณ 100 A ที่ประมาณ 1 โวลต์ ความต้านทานของสายไฟของอุปทานจะต้องต่ำมากมิฉะนั้นจะสูญเสียความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ
ความต้องการแรงดันไฟฟ้าหลาย บางครั้งส่วนที่แตกต่างกันของชิปจะทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ตัวอย่างคลาสสิกคือแกนแรงดันไฟฟ้าต่ำและแรงดันไฟฟ้าสูง I / O แกนกลางใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าเพื่อลดการใช้พลังงาน (การใช้พลังงานใน CMOS มากกว่าหรือน้อยกว่าตามสัดส่วนของความถี่และแรงดันไฟฟ้าที่สองดังนั้นถ้าคุณสามารถลดแรงดันไฟฟ้าลง 30 เปอร์เซ็นต์คุณจะได้รับพลังงานลดลง 50%) ในขณะที่ I / O ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อเชื่อมต่อกับวงจรภายนอกได้ดีขึ้น บางครั้งแรงดันไฟฟ้าแกนเป็นตัวแปร สิ่งนี้ทำในเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกและการปรับสเกลความถี่ (DVFS) เมื่อโหลดซอฟต์แวร์บนชิปจะเปลี่ยนแปลงมันจะสั่งความถี่และแรงดันไฟฟ้าให้เปลี่ยนเพื่อประหยัดพลังงาน เมื่อความถี่ลดลงแรงดันไฟฟ้าสามารถลดลงเพื่อให้บรรลุ '
ข้อกำหนดด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณ ในชิปที่ทันสมัยสัญญาณบนหมุดสามารถเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็ว กระแสที่ต้องการโดยการเปลี่ยนเหล่านี้ต้องการเส้นทางกลับผ่านพลังงานหรือหมุดภาคพื้นดิน หากพินนี้อยู่ไกลมันจะสร้างลูปอุปนัยที่ค่อนข้างใหญ่ซึ่งไม่เพียง แต่ส่งผลต่อพินพลังงาน / กราวด์และพินสัญญาณที่เป็นปัญหา แต่ยังรวมถึงพินอื่น ๆ ในลูปเนื่องจากสนามแม่เหล็ก ซึ่งส่งผลให้ crosstalk ที่สัญญาณหนึ่งมีผลต่อสัญญาณที่อยู่ติดกัน ชิปต้องได้รับการออกแบบไม่เพียง แต่มีกำลังไฟเพียงพอและพินกราวด์เพื่อจ่ายพลังงาน แต่ยังต้องมีพินในตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อลด crosstalk
Xilinx สร้างพลังพิเศษและรูปแบบ pinout ภาคพื้นดินที่เรียกว่าเชฟรอนกระจัดกระจาย แนวคิดคือสร้างหมุดพลังงานและพินกราวด์ที่วางเส้นทางย้อนกลับใกล้กับพิน I / O ทั้งหมดโดยไม่ต้องใช้กำลังพินและพินกราวด์ รูปด้านล่างแสดงถึงหมุดกำลังและกราวด์ทั้งหมดบน Virtex 4 FPGA ในแพ็คเกจ BGA ที่มี 1513 พิน
ความเข้มข้นสูงของ Vccint และพินกราวด์ในศูนย์จะจ่ายแรงดันไฟฟ้าหลักให้แก่ FPGA ที่เกิดขึ้นจริง FPGA สามารถวาดได้สูงถึง 30 หรือ 40 แอมป์ที่ 1.2 โวลต์ จำเป็นต้องใช้หมุดจำนวนสูงเพื่อจัดเตรียมเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับการจ่ายกระแสไฟสูงไปยังอาเรย์ตรรกะที่ตั้งโปรแกรมได้ Vccaux จ่ายกระแสไฟให้กับวงจรที่รองรับรวมถึง JTAG อินเตอร์เฟส รูปแบบของ Vcco และหมุดภาคพื้นดินจ่ายกระแสไฟให้กับธนาคาร I / O พวกเขายังให้เส้นทางกลับสำหรับสัญญาณ I / O จริง I / O ทุกพินนั้นอยู่ติดกับพินพลังงานหรือกราวด์อย่างน้อยหนึ่งตัวซึ่งจะลดการเหนี่ยวนำและ crosstalk ที่สร้างขึ้น
FPGA บางตัวยังรวมตัวรับส่งสัญญาณความเร็วสูงที่สามารถทำได้อย่างรวดเร็วถึง 28 กิกะบิตต่อวินาที Serializers ความเร็วสูงและดีซีเรียลไลเซอร์เป็นวงจรแอนะล็อกความเร็วสูง (โดยทั่วไปคุณจะได้ความเร็วที่เพียงพอไม่มีอะไรที่เป็นดิจิตอลจริงๆอีกต่อไป) ดังนั้นพวกเขาจึงต้องการอุปกรณ์เฉพาะ โดยทั่วไปจะมีตัวควบคุมเชิงเส้นแยกต่างหากเพื่อให้แน่ใจว่าวงจรที่มีความละเอียดอ่อนนี้ทำงานได้อย่างถูกต้องและเพื่อให้แน่ใจว่าค่า GHz จำนวนมากของการส่งผ่านชั่วคราวจะไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งอื่นใด
เหตุผลในการแยก Analog และ Digital VCC และ Ground ออกจากกันคือแยกและรักษารางให้สะอาด อินพุตอนาล็อกมีความไวต่อสัญญาณรบกวนดิจิตอล
เหตุผลของการใช้พื้นที่ภายนอกหลายแห่งอาจเกิดจากประสิทธิภาพการเดินสายภายใน บางครั้งมันใช้งานไม่ได้กับเส้นทางบนพื้นดินภายในแผ่นเวเฟอร์ IC แต่อีกเหตุผลหนึ่งคือการกระจายความร้อน พินกราวด์หลายตัวรวมถึงการเชื่อมต่อ GND ภายใต้เคสถูกใช้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการนำความร้อนกับ PCB ที่ IC เชื่อมต่อมากขึ้น
นอกจากนี้การวาดจำนวนมากในปัจจุบันอาจจะทำไม่ได้ในหนึ่งพินเพียงอย่างเดียว คิดเกี่ยวกับการต้านทาน: สายเหล่านั้นบางมากและไม่สามารถพกพาไปได้มากในปัจจุบัน
ดังนั้น µC ที่ซับซ้อนมากขึ้นจะกระจายความต้องการโหลดไปยังพินจำนวนมาก นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้สายเคเบิลมีสายไฟสองเส้นหรือมากกว่าเช่น Power-over-Ethernet