Quelles sont les tensions de fonctionnement: 5V, 3,3V, 2,5V, 1,8V, etc.

Les circuits intégrés semblent avoir des tensions standard de 5V, 3,3V, 2,5V. 1,8 V ...

• Qui décide de ces tensions?
• Pourquoi les petits appareils nécessitent-ils des tensions plus faibles?

De nouvelles tensions ont souvent été choisies pour assurer une certaine compatibilité avec ce qui les précède.

Les niveaux de sortie CMOS 3V3 étaient compatibles avec les entrées TTL 5V, par exemple.

Un VDD inférieur est nécessaire à mesure que la géométrie de la porte diminue. Cela empêche d'endommager l'oxyde de grille CMOS et minimise les fuites. Lorsque les fabs sont passés de 0,5 um à 0,35 um, les portes plus minces ne pouvaient gérer que des potentiels allant jusqu'à 3,6 V. Cela a conduit à des fournitures à 3,3 V +/- 10%. Avec le commutateur à 0,18 um, la tension a encore été réduite à 1,8 V +/- 10%. Dans les processus les plus récents (par exemple 45 nm), les portes sont faites de diélectriques à haute teneur en k tels que le halfnium pour réduire les fuites.

C'est une combinaison de plusieurs facteurs:

• conventions - il est plus facile de concevoir un système lorsque les puces sont alimentées avec la même tension. Plus important encore, la tension d'alimentation détermine les niveaux de tension des sorties numériques CMOS et les seuils de tension des entrées. La norme pour la communication puce à puce était auparavant de 5 V, de nos jours elle est de 3,3 V, bien que récemment il y ait eu une explosion d'interfaces de communication série à faible tension. On pourrait dire qu'ici "l'industrie" décide de la tension d'alimentation.
• Limitations du processus de fabrication CMOS - à mesure que les transistors MOS rétrécissent, l'épaisseur du matériau d'isolation de la grille et la longueur du canal augmentent également. En conséquence, la tension d'alimentation doit être abaissée pour éviter des problèmes de fiabilité ou des dommages. Pour maintenir une tension d'alimentation «pratique» aux interfaces d'E / S (comme 3,3 V - voir ci-dessus), ces cellules sont fabriquées à l'aide de transistors différents (plus gros et plus lents) que le cœur de la puce. Ici, le "fab" (celui qui a conçu le processus de fabrication là-bas) décide de la tension.
• Consommation d'énergie - à chaque génération de processus, une puce peut accueillir 2x transistors de plus, fonctionnant à une fréquence x2 plus élevée (du moins, c'était vrai jusqu'à récemment) - si rien n'est fait qui donne 2 * 2 = 4 fois plus de consommation d'énergie par unité de surface. Pour la réduire, la tension d'alimentation est (ou était) à la baisse proportionnellement à la taille des transistors, laissant une augmentation de 2x de la puissance / de l'unité. Ici, la voix du concepteur de puces est importante.

Récemment, l'image est devenue plus compliquée - la tension d'alimentation ne peut pas facilement être réduite en raison du gain de transistor intrinsèque limité. Ce gain présente un compromis (à une tension d'alimentation donnée) entre la résistance "passant" du canal du transistor, qui limite la vitesse de commutation, et la résistance "fermée" qui provoque une fuite de courant à travers celui-ci. C'est pourquoi la tension d'alimentation du cœur s'est établie à environ 1 V, ce qui fait que la vitesse des nouvelles puces de circuits intégrés numériques augmente plus lentement et que leur consommation d'énergie augmente plus rapidement qu'auparavant. Les choses empirent si vous considérez la variabilité du processus de fabrication - si vous ne pouvez pas positionner la tension de seuil de commutation des transistors avec suffisamment de précision (et comme les transistors deviennent plus petits, cela devient très difficile), la marge entre les résistances "on" / "off" disparaît.

Les tensions semblent suivre un schéma:

• 3,3 v = 2/3 de 5 v
• 2,5 V = 1/2 de 5 V
• 1.8v = ~ 1/3 de 5v (1.7 serait plus proche de 1/3, cela semble être le seul excentrique)
• 1,2 v = 1/4 de 5 v

" Pourquoi les petits appareils nécessitent-ils des tensions plus faibles ?" Les circuits intégrés plus petits ont moins de surface pour se débarrasser de la chaleur. Chaque fois qu'un bit bascule quelque part dans un circuit intégré, un condensateur doit être chargé ou déchargé (c'est-à-dire la capacité de grille d'un transistor CMOS). Bien que les transisotrs dans un circuit intégré numérique soient généralement très très petits, il y en a beaucoup, donc le problème est toujours important. L'énergie stockée dans un condensateur est égale à 0,5 * C * U ^ 2. Deux fois la tension entraînera 2 ^ 2 = 4 fois l'énergie qui doit être utilisée pour chaque porte du MOSFET. Par conséquent, même un petit pas de 2,5 V à 1,8 V, par exemple, apportera une amélioration considérable. C'est pourquoi les concepteurs de circuits intégrés ne se sont pas contentés de 5 V pendant des décennies et ont attendu que la technologie soit prête à utiliser 1,2 V, mais ont utilisé tous les autres niveaux de tension amusants entre les deux.

Réponse courte: les geeks de TI l'ont dit, et tout le monde a emboîté le pas en fabriquant des produits compatibles ou concurrents.

5 Volts a été choisi pour l' immunité au bruit . Les premières puces étaient des porcs de puissance, provoquant une ondulation de l'alimentation à chaque fois que quelque chose de commuté que les concepteurs tentaient de surmonter en mettant un condensateur sur les broches d'alimentation de chaque puce. Malgré cela, une marge supplémentaire de 2,4 volts leur a donné un coussin pour ne pas entrer dans la zone interdite entre 0,8 V et 2,2 V. De plus, les transistors ont causé une chute de tension de ~ 0,4 V uniquement par leur fonctionnement.

Les tensions d'alimentation ont chuté pour prolonger la durée de vie de la batterie, et parce que les puces de puce ont rétréci pour rendre vos appareils portables plus petits et plus légers. L'espacement plus étroit des composants sur la puce nécessite des tensions plus faibles pour éviter un échauffement excessif et parce que la tension plus élevée pourrait traverser l'isolant plus fin.

Celui qui fait un circuit intégré décide des tensions dont il a besoin.

Dans les temps anciens, quelqu'un a commencé à utiliser le 5V pour la logique numérique et cela est resté longtemps, principalement parce qu'il est beaucoup plus difficile de vendre une puce qui a besoin de 4V lorsque tout le monde conçoit avec beaucoup de puces qui fonctionnent sur 5V.

iow: La raison pour laquelle tout le monde a tendance à utiliser la même tension n'est pas tant le fait qu'ils choisissent tous le même processus que le fait qu'ils ne veulent pas être maudits pour l'utilisation de tensions "inhabituelles" par les concepteurs qui utilisent leurs puces.

La commutation d'un signal à une certaine vitesse prend plus de puissance si la tension est plus élevée.Ainsi, avec des vitesses plus élevées, vous avez besoin de tensions plus faibles pour maintenir le courant bas, c'est pourquoi les circuits modernes plus rapides, plus denses et ont tendance à utiliser des tensions plus faibles que les anciennes puces.

De nombreuses puces utilisent même 3,3 V pour les E / S et une tension inférieure, comme 1,8 V pour le noyau interne.

Les concepteurs de puces savent que 1,8 V est une tension étrange et auront souvent un régulateur interne pour fournir la tension de base pour la puce elle-même, évitant au concepteur d'avoir à générer la tension de base.

Pour un exemple de situation à double tension, jetez un œil à l'ENC28J60 qui fonctionne sur 3,3 V, mais qui possède un régulateur interne de 2,5 V.

Les tensions sont dictées par la physique des matériaux (matériaux semi-conducteurs de toute façon) et les processus utilisés dans la fabrication de la puce. (J'espère que j'utilise les bons termes ici ...) Différents types de semi-conducteurs ont des tensions d'intervalle différentes - essentiellement la tension qui les "active". Ils peuvent également optimiser la structure de la puce pour permettre à des tensions plus basses de fonctionner de manière plus fiable lors de la mise en page (je crois).

Ce n'est pas tellement que les petits appareils nécessitent des tensions plus faibles, c'est qu'ils les ont conçus pour utiliser des tensions plus petites, car moins de tension signifie moins de dissipation thermique et un fonctionnement potentiellement plus rapide. Il est plus facile d'avoir un signal d'horloge de 10 MHz s'il ne doit aller qu'entre 0 V et 1,8 V.