작동 전압 관련 정보 : 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V 등

집적 회로는 5V, 3.3V, 2.5V의 표준 전압을 갖는 것으로 보입니다. 1.8V ...

• 누가 이러한 전압을 결정합니까?
• 더 작은 장치가 더 낮은 전압을 요구하는 이유는 무엇입니까?

새로운 전압은 종종 이전의 전압과 어느 정도 호환되도록 선택되었습니다.

예를 들어 3V3 CMOS 출력 레벨은 5V TTL 입력과 호환되었습니다.

게이트 지오메트리가 축소됨에 따라 더 낮은 VDD가 필요합니다. 이는 CMOS 게이트 산화물의 손상을 방지하고 누출을 최소화합니다. 팹이 0.5um에서 0.35um으로 전환되면 더 얇은 게이트는 최대 3.6V의 전위 만 처리 할 수있었습니다. 그 결과 3.3V +/- 10 %의 전원이 공급되었습니다. 스위치를 0.18um으로 설정하면 전압이 1.8V +/- 10 %로 더 감소했습니다. 최신 공정 (예 : 45nm)에서 게이트는 누설을 줄이기 위해 하프늄과 같은 고유 전율 유전체로 만들어집니다.

그것은 여러 가지 요소의 조합입니다.

• 규칙-칩에 동일한 전압이 공급 될 때 시스템을 설계하는 것이 더 쉽습니다. 더욱 중요한 것은 공급 전압이 CMOS 디지털 출력의 전압 레벨과 입력의 전압 임계 값을 결정한다는 것입니다. 칩 간 통신의 표준은 5V 였지만 현재는 3.3V이지만 저전압 스윙 직렬 통신 인터페이스가 폭발적으로 증가했습니다. 여기서 "산업"이 공급 전압을 결정한다고 말할 수 있습니다.
• CMOS 제조 공정 제한 – MOS 트랜지스터가 줄어들수록 게이트 절연 재료의 두께와 채널 길이도 줄어 듭니다. 결과적으로 신뢰성 문제 나 손상을 피하기 위해 공급 전압을 낮추어야합니다. I / O 인터페이스에서 "편리한"공급 전압을 유지하기 위해 (위 3.3V와 같이)이 셀은 칩 코어와 다른 (더 크고 느린) 트랜지스터를 사용하여 만들어집니다. 여기서 "fab"(제조 프로세스를 설계 한 사람)이 전압을 결정합니다.
• 전력 소비-각 프로세스 세대에서 칩은 2 배 더 많은 트랜지스터를 수용 할 수 있으며 x2 더 높은 주파수에서 실행됩니다 (최소한 최근까지 해당됨). 이를 감소시키기 위해 공급 전압은 트랜지스터 크기에 비례하여 축소되고 있거나 전력 / 단위 면적이 2 배 증가합니다. 여기서 칩 디자이너의 목소리가 중요합니다.

최근에는 그림이 더욱 복잡해졌다. 제한된 고유 트랜지스터 이득으로 인해 공급 전압을 쉽게 축소 할 수 없다. 이 게인은 스위칭 속도를 제한하는 트랜지스터 채널의 "온"저항과이를 통해 전류 누출을 유발하는 "오프"저항 간의 절충 (주어진 공급 전압에서)을 나타냅니다. 그렇기 때문에 코어 공급 전압이 약 1V로 정해져서 새로운 디지털 IC 칩의 속도가 더 느리게 성장하고 전력 소비가 예전보다 빠르게 증가합니다. 제조 공정 변동성을 고려하면 상황이 악화되고 있습니다. 트랜지스터 스위칭 임계 값 전압을 충분히 정확하게 위치시킬 수 없으면 (트랜지스터가 작아 질수록 매우 어려워 짐) "on"/ "off"저항 사이의 마진이 사라집니다.

전압은 패턴을 따르는 것처럼 보입니다.

• 3.3v = 5v의 2/3
• 2.5v = 5v의 1/2
• 1.8v = 5v의 ~ 1 / 3 (1.7은 1/3에 가까울 것입니다.
• 1.2v = 5v의 1/4

" 더 작은 장치가 더 낮은 전압을 요구하는 이유는 무엇 입니까?" 더 작은 IC는 열을 제거하기 위해 표면이 적습니다. IC 어딘가에서 비트가 토글 될 때마다 커패시터가 충전 또는 방전되어야합니다 (즉, CMOS 트랜지스터의 게이트 커패시턴스). 디지털 IC의 트랜스이 소트 르 (transisotr)는 일반적으로 매우 작지만, 그중 많은 것이 있으므로 문제는 여전히 중요합니다. 커패시터에 저장된 에너지는 0.5 * C * U ^ 2와 같습니다. 두 배의 전압으로 인해 모든 MOSFET의 게이트에 사용되는 에너지의 2 ^ 2 = 4 배가 발생합니다. 따라서 2.5V에서 1.8V로 조금만 내려도 상당한 개선이 이루어질 것입니다. 그렇기 때문에 IC 디자이너는 수십 년 동안 5V를 고수하고 1.2V를 사용할 준비가 될 때까지 기다렸지 만 그 사이에 다른 모든 재미있는 전압 레벨을 사용했습니다.

짧은 대답 : TI의 괴짜들은 그렇게 말했다.

노이즈 내성을 위해 5 볼트가 선택되었습니다 . 초기 칩은 전력 호그 였으므로 설계자가 모든 칩의 공급 핀에 커패시터를 배치하여 극복하려고 시도 할 때마다 전원 공급 장치에 리플을 일으켰습니다. 그럼에도 2.4 볼트의 헤드 룸이 추가되어 0.8V와 2.2V 사이의 금지 구역으로 들어가는 것을 막을 수있었습니다. 또한 트랜지스터는 작동으로 인해 ~ 0.4V 전압 강하를 일으켰습니다.

배터리 수명을 연장하기 위해 공급 전압이 떨어지고 있으며, 휴대용 장치를 더 작고 가볍게 만들기 위해 칩 다이가 줄어들고 있습니다. 칩에서 부품의 간격이 가까울수록 과도한 가열을 방지하기 위해 더 낮은 전압이 필요하며 더 높은 절연체를 통해 더 높은 전압이 흐를 수 있습니다.

IC를 만드는 사람은 필요한 전압을 결정합니다.

예전에는 누군가가 디지털 로직에 5V를 사용하기 시작했고 오랫동안 고착되었습니다. 주로 모든 사람이 5V에서 실행되는 많은 칩으로 설계 할 때 4V가 필요한 칩을 판매하는 것이 훨씬 더 어렵 기 때문입니다.

iow : 모든 사람이 동일한 전압을 사용하는 이유는 칩을 사용하는 설계자가 "비정상적인"전압을 사용하기 위해 저주받지 않기를 원하기 때문에 모두 동일한 프로세스를 선택하는 것이 중요하지 않습니다.

전압이 높을 경우 특정 속도로 신호를 전환하면 더 많은 전력이 소비되므로, 속도가 빠를수록 전류를 낮추기 위해 더 낮은 전압이 필요하므로 더 빠르고 밀도가 높고 현대적인 회로는 기존 칩보다 낮은 전압을 사용하는 경향이 있습니다.

많은 칩이 i / o에 3.3V를 사용하고 내부 코어에 1.8V와 같은 더 낮은 전압을 사용합니다.

칩 설계자들은 1.8V가 홀수 볼 전압이며 칩 자체에 코어 전압을 제공하기 위해 내부 레귤레이터가 내장되어 설계자가 코어 전압을 생성하지 않아도된다는 것을 알고있다.

이중 전압 상황의 예는 3.3V에서 실행되지만 내부 2.5V 레귤레이터가있는 ENC28J60을 살펴보십시오.

전압은 재료의 물리학 (반도체 재료) 및 칩 제조에 사용되는 프로세스에 의해 결정됩니다. (여기서 올바른 용어를 사용하고 싶습니다 ...) 반도체의 종류에 따라 갭 전압이 다릅니다. 본질적으로 '활성화'하는 전압입니다. 또한 레이아웃을 할 때 낮은 전압이보다 안정적으로 작동하도록 칩의 구조를 최적화 할 수 있습니다 (믿습니다).

더 작은 장치가 더 낮은 전압을 요구하는 것은 그리 많지 않습니다. 더 적은 전압이 더 적은 열 방출 및 잠재적으로 더 빠른 작동을 의미하므로 더 작은 전압을 사용하도록 설계되었습니다. 0V와 1.8V 사이 만 있으면 10MHz 클록 신호를 갖는 것이 더 쉽다.