O que há com as tensões operacionais: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, etc

Os circuitos integrados parecem ter voltagens padrão de 5V, 3.3V, 2.5V. 1.8V ...

• Quem decide essas tensões?
• Por que dispositivos menores requerem voltagens mais baixas?

Muitas vezes, novas tensões foram escolhidas para oferecer algum grau de compatibilidade com o que veio antes delas.

Os níveis de saída 3V3 CMOS eram compatíveis com entradas TTL de 5V, por exemplo.

Um VDD mais baixo é necessário à medida que a geometria do portão diminui. Isso evita danos ao óxido de porta do CMOS e minimiza o vazamento. Quando as fábricas mudaram de 0,5um para 0,35um, os portões mais finos só conseguiam lidar com potenciais de até 3,6V. Isso levou a suprimentos a 3,3V +/- 10%. Com o interruptor para 0,18um, a tensão foi reduzida ainda mais para 1,8V +/- 10%. Nos processos mais recentes (por exemplo, 45 nm), os portões são feitos de dielétricos de alto k, como o meio-nônio, para reduzir o vazamento.

Essa é uma combinação de vários fatores:

• convenções - é mais fácil projetar um sistema quando os chips são fornecidos com a mesma voltagem. Ainda mais importante é que a tensão de alimentação determina os níveis de tensão das saídas digitais CMOS e os limites de tensão das entradas. O padrão para comunicação chip-a-chip costumava ser de 5V, hoje em dia é de 3,3V, embora recentemente tenha havido uma explosão de interfaces de comunicação serial de oscilação de baixa tensão. Você poderia dizer que aqui "a indústria" decide a tensão de alimentação.
• Limitações do processo de fabricação do CMOS - à medida que os transistores do MOS diminuem, o mesmo ocorre com a espessura do material de isolamento da porta e o comprimento do canal. Como resultado, a tensão de alimentação deve ser reduzida para evitar problemas de confiabilidade ou danos. Para manter uma tensão de alimentação "conveniente" nas interfaces de E / S (como 3,3V - veja acima), essas células são fabricadas usando transistores diferentes (maiores e mais lentos) que o núcleo do chip. Aqui, o "fab" (quem projetou o processo de fabricação lá) decide a tensão.
• Consumo de energia - em cada geração de processo, um chip pode acomodar 2x mais transistores, rodando a uma frequência x2 mais alta (pelo menos até verdade recentemente) - se nada for feito que dê 2 * 2 = 4 vezes maior no consumo de energia por unidade de área. Para reduzi-lo, a tensão de alimentação está (ou estava) diminuindo proporcionalmente aos tamanhos dos transistores, deixando um aumento de 2x na área de potência / unidade. Aqui a voz do designer de chips é importante.

Recentemente, a imagem ficou mais complicada - a tensão de alimentação não pode ser reduzida facilmente devido ao ganho limitado de transistores intrínsecos. Esse ganho apresenta uma troca (em uma dada tensão de alimentação) entre a resistência "on" do canal do transistor, que limita a velocidade de comutação, e a resistência "off" que causa vazamento de corrente através dele. É por isso que a tensão de alimentação do núcleo se estabilizou em torno de 1V, fazendo com que a velocidade dos novos chips de CI digital aumentasse mais lentamente e seu consumo de energia aumentasse mais rapidamente do que costumava ser. As coisas estão piorando se você considerar a variabilidade do processo de fabricação - se você não puder posicionar a tensão de limiar de comutação do transistor com precisão suficiente (e, à medida que os transistores estiverem diminuindo, torna-se muito difícil) a margem entre as resistências "on" / "off" desaparecerá.

As tensões parecem seguir um padrão:

• 3.3v = 2/3 de 5v
• 2.5v = 1/2 de 5v
• 1.8v = ~ 1/3 de 5v (1.7 estaria mais próximo de 1/3, este parece ser o único ímpar)
• 1.2v = 1/4 de 5v

" Por que dispositivos menores requerem voltagens mais baixas ?" CIs menores têm menos superfície para se livrar do calor. Sempre que um pouco alterna em algum lugar de um IC, um capacitor deve ser carregado ou descarregado (ou seja, a capacitância da porta de um transistor CMOS). Embora os transisitores em um CI digital sejam geralmente muito pequenos, existem muitos, então o problema ainda é importante. A energia armazenada em um capacitor é igual a 0,5 * C * U ^ 2. O dobro da tensão causará 2 ^ 2 = 4 vezes a energia que deve ser usada para cada porta do MOSFET. Portanto, mesmo um pequeno passo de, digamos, 2,5V para 1,8V trará uma melhoria considerável. É por isso que os projetistas de IC não ficaram apenas com 5V por décadas e esperaram até a tecnologia estar pronta para usar 1,2V, mas usaram todos os outros níveis de tensão engraçados no meio.

Resposta curta: os nerds da TI disseram isso e todos os outros seguiram o exemplo, fabricando produtos compatíveis ou concorrentes.

5 Volts foi escolhido para imunidade ao ruído . Os primeiros chips eram monopolizadores de energia, causando ondulações na fonte de alimentação toda vez que acontecia algo que os designers tentavam superar colocando um capacitor nos pinos de alimentação de cada chip. Mesmo assim, 2,4 volts extras de espaço livre lhes davam uma proteção contra entrar na área proibida entre 0,8V e 2,2V. Além disso, os transistores causaram queda de tensão de ~ 0,4 V apenas por sua operação.

As tensões de alimentação caíram para prolongar a vida útil da bateria e porque o chip morre diminuindo para tornar seus dispositivos portáteis menores e mais leves. O espaçamento mais próximo dos componentes no chip exige tensões mais baixas para evitar aquecimento excessivo e porque a tensão mais alta pode atravessar o isolamento mais fino.

Quem cria um CI decide as tensões necessárias.

Antigamente, alguém começava a usar 5V para lógica digital e isso permaneceu por muito tempo, principalmente porque é muito mais difícil vender um chip que precisa de 4V quando todo mundo está projetando com muitos chips que funcionam com 5V.

iow: A razão pela qual todo mundo tende a usar a mesma voltagem não é tanto uma questão de todos escolherem o mesmo processo, é porque eles não querem ser amaldiçoados por usar voltagens "incomuns" pelos projetistas que usam seus chips.

Mudar um sinal a uma certa velocidade exige mais energia se a tensão for maior; portanto, com velocidades mais altas, você precisa de tensões mais baixas para manter a corrente baixa, é por isso que os circuitos modernos, mais rápidos e densos tendem a usar tensões mais baixas do que os chips antigos.

Muitos chips ainda usam 3.3V para E / S e uma voltagem mais baixa, como 1.8V para o núcleo interno.

Os projetistas de chips sabem que 1,8 V é uma tensão excêntrica e geralmente terão um regulador interno para fornecer a tensão do núcleo para o próprio chip, poupando o projetista de gerar a tensão do núcleo.

Para um exemplo da situação de dupla voltagem, dê uma olhada na ENC28J60, que roda em 3,3V, mas possui um regulador interno de 2,5V.

As tensões são ditadas pela física dos materiais (materiais semicondutores de qualquer maneira) e pelos processos utilizados na fabricação do chip. (Espero estar usando os termos certos aqui ...) Diferentes tipos de semicondutores têm diferentes voltagens de hiato - essencialmente a voltagem que os "ativa". Eles também podem otimizar a estrutura do chip para permitir que tensões mais baixas funcionem de maneira mais confiável quando fazem layouts (acredito).

Os dispositivos menores exigem menos voltagens, mas eles os projetaram para usar voltagens menores, porque menos voltagem significa menos dissipação de calor e operação potencialmente mais rápida. É mais fácil ter um sinal de clock de 10MHz se ele tiver apenas que ir entre 0V e 1,8V.