¿Qué pasa con los voltajes de funcionamiento: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, etc.

Los circuitos integrados parecen tener voltajes estándar de 5V, 3.3V, 2.5V. 1.8V ...

• ¿Quién decide estos voltajes?
• ¿Por qué los dispositivos más pequeños requieren voltajes más bajos?

A menudo se han elegido voltajes nuevos para dar cierto grado de compatibilidad con lo que les precedió.

Los niveles de salida CMOS 3V3 eran compatibles con entradas TTL de 5V, por ejemplo.

Se requiere un VDD más bajo a medida que se reduce la geometría de la puerta. Esto evita daños al óxido de la puerta CMOS y minimiza las fugas. Cuando los fabs cambiaron de 0.5um a 0.35um, las puertas más delgadas solo podían manejar potenciales de hasta 3.6V. Eso llevó a suministros a 3.3V +/- 10%. Con el cambio a 0.18um, el voltaje se redujo aún más a 1.8V +/- 10%. En los últimos procesos (p. Ej., 45 nm), las compuertas están hechas de dieléctricos de alta k como el medio milenio para reducir las fugas.

Esa es una combinación de varios factores:

• convenciones: es más fácil diseñar un sistema cuando los chips reciben el mismo voltaje. Aún más importante es que el voltaje de alimentación determina los niveles de voltaje de las salidas digitales CMOS y los umbrales de voltaje de las entradas. El estándar para la comunicación de chip a chip solía ser de 5V, hoy en día es de 3.3V, aunque recientemente hubo una explosión de interfaces de comunicación en serie oscilantes de bajo voltaje. Se podría decir que aquí "la industria" decide el voltaje de suministro.
• Limitaciones del proceso de fabricación de CMOS: a medida que los transistores MOS se contraen, también lo hace el grosor del material de aislamiento de la puerta y la longitud del canal. Como resultado, la tensión de alimentación debe reducirse para evitar problemas de fiabilidad o daños. Para mantener un voltaje de suministro "conveniente" en las interfaces de E / S (como 3.3V - ver arriba), estas celdas se hacen usando transistores diferentes (más grandes y más lentos) que el núcleo del chip. Aquí el "fab" (quien diseñó el proceso de fabricación allí) decide el voltaje.
• Consumo de energía: en cada generación de proceso, un chip puede acomodar 2 veces más transistores, funcionando a una frecuencia x2 más alta (al menos eso era cierto hasta hace poco), si no se hace nada, eso da un aumento de 2 * 2 = 4 veces en el consumo de energía por unidad de área. Para reducirlo, el voltaje de suministro se reduce (o se redujo) proporcionalmente a los tamaños de los transistores, dejando un aumento de 2x en el área de potencia / unidad. Aquí la voz del diseñador de chips es importante.

Recientemente, la imagen se volvió más complicada: el voltaje de suministro no puede reducirse fácilmente debido a la ganancia limitada del transistor intrínseco. Esta ganancia presenta una compensación (a un voltaje de suministro dado) entre la resistencia "activada" del canal del transistor, que limita la velocidad de conmutación, y la resistencia "desactivada" que causa una fuga de corriente a través de él. Es por eso que el voltaje de alimentación del núcleo se estableció en alrededor de 1V, lo que provocó que la velocidad de los nuevos chips IC digitales crezca más lentamente y su consumo de energía crezca más rápido de lo que solía ser. Las cosas empeoran si considera la variabilidad del proceso de fabricación: si no puede colocar el voltaje de umbral de conmutación del transistor con la suficiente precisión (y a medida que los transistores se hacen más pequeños, se vuelve muy difícil), el margen entre las resistencias de "encendido" / "apagado" desaparece.

Los voltajes parecen seguir un patrón:

• 3.3v = 2/3 de 5v
• 2.5v = 1/2 de 5v
• 1.8v = ~ 1/3 de 5v (1.7 estaría más cerca de 1/3, este parece ser el único bicho raro)
• 1.2v = 1/4 de 5v

" ¿Por qué los dispositivos más pequeños requieren voltajes más bajos ?" Los circuitos integrados más pequeños tienen menos superficie para eliminar el calor. Cada vez que un bit se alterna en algún lugar de un IC, se debe cargar o descargar un capacitor (es decir, la capacitancia de puerta de un transistor CMOS). Aunque los transisotrs en un IC digital suelen ser muy pequeños, hay muchos, por lo que el problema sigue siendo importante. La energía almacenada en un condensador es igual a 0.5 * C * U ^ 2. Dos veces el voltaje causará 2 ^ 2 = 4 veces la energía que debe usarse para cada compuerta del MOSFET. Por lo tanto, incluso un pequeño paso por debajo de, digamos, 2.5V a 1.8V traerá una mejora considerable. Es por eso que los diseñadores de circuitos integrados no solo se adhirieron a 5V durante décadas y esperaron hasta que la tecnología estuviera lista para usar 1.2V, sino que usaron todos los otros niveles de voltaje divertidos en el medio.

Respuesta corta: los geeks de TI lo dijeron, y todos los demás hicieron lo mismo al hacer productos compatibles o competidores.

Se eligieron 5 voltios para la inmunidad al ruido . Los primeros chips eran cerdos de energía, lo que causaba ondulación en la fuente de alimentación cada vez que algo cambiaba que los diseñadores tratarían de superar colocando un condensador en los pines de suministro de cada chip. Aun así, un espacio libre adicional de 2.4 voltios les dio un colchón contra la entrada al área prohibida entre 0.8V y 2.2V. Además, los transistores causaron una caída de voltaje de ~ 0.4 V solo por su funcionamiento.

Los voltajes de suministro se han reducido para prolongar la vida útil de la batería, y debido a que los chips se han reducido para hacer que sus dispositivos portátiles sean más pequeños y livianos. El espacio más cercano de los componentes en el chip exige voltajes más bajos para evitar un calentamiento excesivo y porque el voltaje más alto podría atravesar el aislamiento más delgado.

Quien crea un CI decide los voltajes que necesita.

En los viejos tiempos, alguien comenzó a usar 5V para la lógica digital y eso se mantuvo durante mucho tiempo, principalmente porque es mucho más difícil vender un chip que necesita 4V cuando todo el mundo está diseñando con muchos chips que funcionan con 5V.

iow: La razón por la que todos tienden a usar el mismo voltaje no es tanto que todos elijan el mismo proceso, sino que no quieran ser maldecidos por usar voltajes "inusuales" por parte de los diseñadores que usan sus chips.

Cambiar una señal a una velocidad determinada requiere más potencia si el voltaje es más alto, por lo que con velocidades más altas necesita voltajes más bajos para mantener la corriente baja, es por eso que los circuitos más rápidos, más densos y modernos tienden a usar voltajes más bajos que los chips antiguos.

Muchos chips incluso usan 3.3V para E / S y un voltaje más bajo, como 1.8V para el núcleo interno.

Los diseñadores de chips saben que 1.8V es un voltaje extraño y, a menudo, tendrán un regulador interno para proporcionar el voltaje del núcleo del chip, evitando que el diseñador tenga que generar el voltaje del núcleo.

Para ver un ejemplo de la situación de doble voltaje, eche un vistazo al ENC28J60 que funciona con 3.3V, pero tiene un regulador interno de 2.5V.

Los voltajes están dictados por la física de los materiales (materiales semiconductores de todos modos) y los procesos utilizados en la fabricación del chip. (Espero estar usando los términos correctos aquí ...) Los diferentes tipos de semiconductores tienen diferentes voltajes de separación, esencialmente el voltaje que los 'activa'. También pueden optimizar la estructura del chip para permitir que los voltajes más bajos funcionen de manera más confiable cuando hacen diseños (creo).

No es tanto que los dispositivos más pequeños requieran voltajes más bajos, es que los han diseñado para usar voltajes más pequeños porque menos voltaje significa menos disipación de calor y una operación potencialmente más rápida. Es más fácil tener una señal de reloj de 10MHz si solo tiene que ir entre 0V y 1.8V.