อะไรคือแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V และอื่น ๆ

วงจรรวมดูเหมือนจะมีแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน 5V, 3.3V, 2.5V 1.8V ...

• ใครเป็นผู้กำหนดแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้
• ทำไมอุปกรณ์ขนาดเล็กถึงต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

แรงดันไฟฟ้าใหม่มักถูกเลือกเพื่อให้เข้ากันได้กับสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้

ตัวอย่างเช่นระดับ 3V3 CMOS สามารถใช้งานร่วมกับอินพุต TTL TTL ได้

จำเป็นต้องใช้ VDD ที่ต่ำกว่าเมื่อขนาดเกตของเกทลดลง สิ่งนี้ช่วยป้องกันความเสียหายต่อเกตออกไซด์ของ CMOS และลดการรั่วไหล เมื่อ fabs เปลี่ยนจาก 0.5um เป็น 0.35um ประตูทินเนอร์สามารถจัดการได้ถึง 3.6V เท่านั้น ซึ่งนำไปสู่วัสดุที่ 3.3V +/- 10% ด้วยสวิตช์ถึง 0.18um แรงดันไฟฟ้าจะลดลงไปถึง 1.8V +/- 10% ในกระบวนการล่าสุด (เช่น 45nm) ประตูทำจาก dielectrics สูง -k เช่น halfnium เพื่อลดการรั่วไหล

นั่นเป็นการรวมกันของปัจจัยหลายประการ:

• อนุสัญญา - มันง่ายกว่าที่จะออกแบบระบบเมื่อชิปมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน ที่สำคัญยิ่งกว่าคือแรงดันไฟฟ้าจะกำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าของเอาต์พุตดิจิตอล CMOS และเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าของอินพุต มาตรฐานสำหรับการสื่อสารแบบชิปต่อชิปที่ใช้เป็น 5V ในปัจจุบันคือ 3.3V แม้ว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้จะมีการระเบิดของอินเตอร์เฟซการสื่อสารแบบอนุกรมแกว่งแรงดันต่ำ คุณสามารถพูดได้ว่าที่นี่ "อุตสาหกรรม" เป็นตัวกำหนดแรงดันไฟฟ้า
• ข้อ จำกัด กระบวนการผลิต CMOS - เมื่อทรานซิสเตอร์ MOS หดตัวความหนาของวัสดุฉนวนประตูและความยาวของช่องจึงไม่ เป็นผลให้แรงดันไฟฟ้าอุปทานจะต้องลดลงเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาความน่าเชื่อถือหรือความเสียหาย เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าที่ "สะดวก" ที่อินเทอร์เฟซ I / O (เช่น 3.3V - ดูด้านบน) เซลล์เหล่านี้ใช้ทรานซิสเตอร์ (ใหญ่และช้ากว่า) ที่แตกต่างจากแกนกลางของชิป ที่นี่ "fab" (ใครก็ตามที่ออกแบบกระบวนการผลิตที่นั่น) จะตัดสินใจแรงดันไฟฟ้า
• การใช้พลังงาน - ในแต่ละกระบวนการผลิตชิปสามารถรองรับทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้นอีก 2 เท่าทำงานที่ความถี่สูงกว่า x2 (อย่างน้อยก็เป็นจริงจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้) - หากไม่มีอะไรทำที่จะเพิ่มการใช้พลังงาน 2 * 2 = 4 เท่าต่อหน่วยพื้นที่ เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ (หรือเคย) ลดขนาดลงตามขนาดของทรานซิสเตอร์ทำให้เหลือกำลังเพิ่มขึ้น 2 เท่าในพื้นที่พลังงาน / ยูนิต เสียงของนักออกแบบชิปมีความสำคัญ

เมื่อเร็ว ๆ นี้ภาพมีความซับซ้อนมากขึ้น - แรงดันไฟฟ้าไม่สามารถลดขนาดได้อย่างง่ายดายเนื่องจากการได้รับทรานซิสเตอร์ภายใน จำกัด อัตราขยายที่ได้นี้แสดงถึงการแลกเปลี่ยน (ที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด) ระหว่างความต้านทาน "เปิด" ของช่องทรานซิสเตอร์ซึ่ง จำกัด ความเร็วการสลับและความต้านทาน "ปิด" ที่ทำให้เกิดกระแสรั่วไหลผ่านมัน นั่นเป็นเหตุผลที่แรงดันไฟฟ้าหลักจ่ายที่ประมาณ 1V ทำให้ความเร็วของชิป IC ดิจิตอลใหม่จะเติบโตช้าลงและการใช้พลังงานของพวกเขาจะเติบโตเร็วกว่าที่เคยเป็น สิ่งต่าง ๆ กำลังแย่ลงถ้าคุณพิจารณาความแปรปรวนของกระบวนการผลิต - ถ้าคุณไม่สามารถวางตำแหน่งแรงดันไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ให้เปลี่ยนได้อย่างถูกต้องเพียงพอ (และเมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงมันจะกลายเป็นเรื่องยากมาก) ระยะห่างระหว่างตัวต้านทาน

แรงดันไฟฟ้าปรากฏตามรูปแบบ:

• 3.3v = 2/3 ของ 5v
• 2.5v = 1/2 จาก 5v
• 1.8v = ~ 1/3 ของ 5v (1.7 จะใกล้กับ 1/3 นี่น่าจะเป็นลูกเดียวเท่านั้น)
• 1.2v = 1/4 ของ 5v

" ทำไมอุปกรณ์ขนาดเล็กถึงต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า " ไอซีขนาดเล็กมีพื้นผิวน้อยกว่าเพื่อกำจัดความร้อน เมื่อใดก็ตามที่มีการสลับเล็กน้อยใน IC ตัวเก็บประจุจะต้องถูกเรียกเก็บเงินหรือคายประจุ (เช่นความจุประตูของทรานซิสเตอร์ CMOS) แม้ว่า transisotrs ใน IC แบบดิจิทัลมักจะมีขนาดเล็กมาก แต่ก็มีจำนวนมากดังนั้นปัญหายังคงมีความสำคัญ พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเท่ากับ 0.5 * C * U ^ 2 แรงดันไฟฟ้าสองเท่าจะทำให้ 2 ^ 2 = 4 เท่าของพลังงานที่จะต้องใช้กับเกทของมอสเฟตทุกตัว ดังนั้นแม้กระทั่งขั้นตอนเล็ก ๆ น้อย ๆ จากการพูด 2.5V ถึง 1.8V จะทำให้การปรับปรุงดีขึ้น นั่นเป็นเหตุผลที่นักออกแบบ IC ไม่เพียง แต่ยึดติดกับ 5V มานานหลายทศวรรษและรอจนกระทั่งเทคโนโลยีพร้อมใช้งาน 1.2V แต่ใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าตลกอื่น ๆ ทั้งหมดในระหว่างนั้น

คำตอบสั้น ๆ : นักพูดที่ TI พูดอย่างนั้นและทุกคนก็ติดตามกันด้วยการทำผลิตภัณฑ์ที่เข้ากันได้หรือแข่งขันกัน

5 โวลต์เป็นทางเลือกสำหรับภูมิคุ้มกันเสียง ชิปแรกคือหมูไฟฟ้าทำให้เกิดระลอกคลื่นในแหล่งจ่ายไฟทุกครั้งที่มีอะไรสลับไปมาที่นักออกแบบจะพยายามเอาชนะโดยใส่ตัวเก็บประจุบนหมุดจ่ายของชิปทุกตัว ถึงกระนั้น headroom ที่เพิ่มขึ้นอีก 2.4 โวลต์ก็ให้เบาะรองนั่งกับการเข้าไปในพื้นที่ต้องห้ามระหว่าง 0.8V และ 2.2V นอกจากนี้ทรานซิสเตอร์ยังทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง ~ 0.4 V ด้วยการทำงานของมัน

แรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ลดลงเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และเนื่องจากชิปชิพได้หดตัวลงเพื่อทำให้อุปกรณ์พกพาของคุณเล็กลงและเบาลง ระยะห่างที่ใกล้ขึ้นของส่วนประกอบบนชิปต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเพื่อป้องกันความร้อนมากเกินไปและเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสามารถทะลุผ่านฉนวนที่บางลงได้

ใครก็ตามที่ทำให้ IC ตัดสินใจเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ

ในสมัยก่อนมีคนเริ่มใช้ 5V สำหรับตรรกะดิจิทัลและติดอยู่นานเพราะส่วนใหญ่เป็นเรื่องยากที่จะขายชิปที่ต้องการ 4V เมื่อทุกคนออกแบบด้วยชิปจำนวนมากที่ทำงานบน 5V

iow: เหตุผลที่ทุกคนมีแนวโน้มที่จะใช้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันนั้นไม่ใช่เรื่องของพวกเขาทุกคนเลือกกระบวนการเดียวกันเพราะเป็นเรื่องของพวกเขาที่ไม่ต้องการถูกสาปให้ใช้แรงดันไฟฟ้า "ผิดปกติ" โดยนักออกแบบที่ใช้ชิปของพวกเขา

การสลับสัญญาณด้วยความเร็วที่แน่นอนนั้นจะใช้พลังงานมากขึ้นหากแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นดังนั้นด้วยความเร็วที่สูงขึ้นคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเพื่อรักษากระแสไฟฟ้าลงนั่นคือสาเหตุที่วงจรที่เร็วกว่าและหนาแน่นกว่าในปัจจุบันมักใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าชิปเก่า

ชิปจำนวนมากใช้ 3.3V สำหรับ i / o และแรงดันไฟฟ้าต่ำเช่น 1.8V สำหรับแกนภายใน

ผู้ออกแบบชิปรู้ว่า 1.8V เป็นแรงดันคี่บอลและมักจะมีตัวควบคุมภายในเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าหลักสำหรับชิปนั้นเอง

สำหรับตัวอย่างของสถานการณ์แรงดันไฟฟ้าคู่ดูที่ ENC28J60 ซึ่งทำงานบน 3.3V แต่มีตัวควบคุม 2.5V ภายใน

แรงดันจะถูกกำหนดโดยฟิสิกส์ของวัสดุ (วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แต่อย่างใด) และกระบวนการที่ใช้ในการทำชิป (ฉันหวังว่าฉันกำลังใช้คำศัพท์ที่เหมาะสมที่นี่ ... ) เซมิคอนดักเตอร์ชนิดต่าง ๆ มีแรงดันไฟฟ้าของช่องว่างที่แตกต่างกัน - โดยทั่วไปคือแรงดันไฟฟ้าที่ 'เปิดใช้งาน' พวกมัน พวกเขายังสามารถปรับโครงสร้างของชิปเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นเมื่อพวกเขาทำเลย์เอาต์ (ฉันเชื่อว่า)

ไม่มากนักที่อุปกรณ์ขนาดเล็กต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า แต่พวกมันได้ออกแบบให้ใช้แรงดันไฟฟ้าที่เล็กลงเพราะแรงดันไฟฟ้าที่น้อยลงหมายถึงการกระจายความร้อนน้อยลงและอาจทำงานได้เร็วขึ้น มันง่ายกว่าที่จะมีสัญญาณนาฬิกา 10MHz ถ้ามันต้องอยู่ระหว่าง 0V ถึง 1.8V เท่านั้น