¿Cuál es la razón por la que la mayoría de los circuitos integrados (por ejemplo, MCU) tienen múltiples (A / D) GND y (A) pines VCC?
Si se trata de aumentar el rendimiento de un IC, ¿cómo ayuda al rendimiento? ¿O es más fácil para el diseñador de IC conectar algunos pines externamente?
Algunas huellas de los circuitos integrados tienen una conexión a tierra bajo el caso, ¿cómo ayuda? ¿Mejoraría el rendimiento de un IC si dibujo un GND en el caso, incluso si no es necesario?
Respuestas:
Se me ocurren tres razones:
1) Eche un vistazo a este primer plano de las tripas de un microcontrolador.
Hay MUCHO pasando allí. Y cada parte de ese dado necesita poder. Es probable que la energía proveniente de cualquier pin tenga que ser arrastrada por un montón de cosas para llegar a cada parte del dispositivo. Múltiples líneas de alimentación le dan al dispositivo múltiples vías para extraer energía, lo que evita que el voltaje baje tanto durante eventos de alta corriente.
2) A veces, los diferentes pines de alimentación suministran periféricos específicos dentro del chip. Esto se hace cuando ciertos periféricos necesitan un suministro de voltaje tan limpio como sea posible para funcionar correctamente. Si los periféricos comparten la fuente de alimentación que usa el resto del chip, puede estar sujeto a ruido en la línea y caídas de voltaje. Un ejemplo es la fuente de alimentación analógica. Notó que es típico ver un pin AVCC en MCU. Ese pin es un suministro dedicado solo para los periféricos analógicos en el chip. Realmente, esto es solo una extensión del # 1 anterior.
3) No es raro que una MCU alimente su núcleo a un voltaje pero opere periféricos en otro. Por ejemplo, un chip ARM con el que trabajé recientemente usó 1.8V para su núcleo. Sin embargo, los pines de salida digital suministrarían 3.3V cuando se maneja alto. Por lo tanto, el chip requería un suministro de 1.8V y un suministro separado de 3.3V.
Lo principal a recordar es que todos esos pines de alimentación son absolutamente necesarios para conectarse . No son opcionales, incluso cuando se realiza trabajo de desarrollo.
En cuanto a la almohadilla inferior del chip, está ahí para un disipador de calor adicional. El diseñador del chip decidió que la carcasa y los pasadores del chip pueden no disipar el calor del silicio lo suficiente. Por lo tanto, la almohadilla adicional en la parte inferior actúa como un disipador de calor para ayudar a mantener baja la temperatura. Si se espera que la parte necesite disipar mucho calor, querrás tener un gran vertido de cobre para soldar esa almohadilla.
Hay tres razones principales para requerir múltiples pines de alimentación y tierra.
Impedancia. Los chips pueden dibujar mucha corriente. Los chips CMOS en particular (básicamente cualquier IC digital moderno) consumen grandes cantidades de corriente durante períodos de tiempo muy cortos en cada ciclo de reloj. Cualquier impedancia (en este caso resistencia o inductancia) en la conexión de suministro dará como resultado variaciones de voltaje o caída de voltaje en la red de distribución de energía del chip. Esto puede causar problemas con una operación confiable. Esta es también la razón por la cual se usan condensadores de derivación; evitan que estos transitorios de conmutación afecten a otros componentes en la placa a través de los rieles de alimentación al proporcionar una ruta de retorno para las corrientes de alta frecuencia muy cercanas al chip. Los chips grandes en realidad colocan condensadores de derivación directamente en el paquete. Si nos fijamos en una CPU moderna, puede ver condensadores de derivación soldados al paquete alrededor del chip y / o en la parte inferior si hay un agujero en el pinout. El mejor lugar para colocarlos sería en el dado, pero los condensadores ocupan una gran cantidad de área de silicio y, por lo tanto, esto es demasiado costoso para ser factible en la mayoría de los casos. Se utilizan pines de suministro analógico separados para evitar que el ruido de conmutación de la porción digital del chip afecte a la porción analógica del suministro a través de la impedancia del pin y / o el cable de enlace. También se requieren múltiples pines de suministro para chips que consumen grandes cantidades de corriente. Un microprocesador moderno puede consumir alrededor de 100 A a alrededor de 1 voltio. La resistencia del cableado de alimentación debe ser muy baja, de lo contrario, se perderá una cantidad muy significativa de calor.
Múltiples requerimientos de voltaje. A veces, diferentes porciones de un chip funcionarán a diferentes voltajes. Un ejemplo clásico es un núcleo de baja tensión y E / S de alta tensión. El núcleo usa un voltaje más bajo para reducir el consumo de energía (el consumo de energía en CMOS es más o menos proporcional a la frecuencia y al cuadrado del voltaje, por lo que si puede reducir el voltaje en un 30 por ciento, puede obtener una reducción del 50 por ciento en la potencia) mientras que la E / S funciona a un voltaje más alto para interactuar mejor con los circuitos externos. A veces el voltaje del núcleo es incluso variable. Esto se realiza en una técnica de optimización de energía llamada escala dinámica de voltaje y frecuencia (DVFS). A medida que cambia la carga del software en el chip, ordenará que la frecuencia y el voltaje cambien para ahorrar energía. Cuando se baja la frecuencia, el voltaje también se puede bajar para lograr un '
Requisitos de integridad de la señal. En los chips modernos, las señales en los pines pueden pasar muy rápido. La corriente requerida por estas transiciones requiere una ruta de retorno a través de un poder o un pin de tierra. Si este pin está lejos, termina creando un bucle inductivo bastante grande que no solo afecta el pin de alimentación / tierra y el pin de señal en cuestión, sino también cualquier otro pin en el bucle debido al campo magnético. Esto da como resultado una diafonía donde una señal afecta a señales adyacentes. Los chips deben diseñarse no solo con suficiente potencia y clavijas de tierra para suministrar energía, sino también con clavijas en ubicaciones razonables para reducir la diafonía.
Xilinx creó un esquema particular de alimentación y puesta a tierra llamado chevron disperso. La idea es crear una patten de pines de alimentación y tierra que coloquen las rutas de retorno lo más cerca posible de todos los pines de E / S, sin requerir una cantidad increíble de pines de alimentación y tierra. La figura a continuación representa todos los pines de alimentación y tierra en un Virtex 4 FPGA en un paquete BGA con 1513 pines.
La alta concentración de Vccint y los pines de tierra en el centro suministran el voltaje del núcleo al dado FPGA real. El FPGA puede extraer hasta 30 o 40 amperios a 1.2 voltios. Se requiere el alto número de pines para proporcionar una ruta de baja impedancia para el suministro de alta corriente al arreglo lógico programable. Los pines Vccaux suministran energía a algunos circuitos de soporte, incluida la interfaz JTAG. El patrón de Vcco y los pines de tierra suministran energía a los bancos de E / S. También proporcionan rutas de retorno para las señales de E / S reales. Cada pin de E / S está adyacente a al menos un pin de alimentación o tierra, minimizando la inductancia y, por lo tanto, la diafonía generada.
Algunos FPGA también incorporan transceptores de alta velocidad que pueden ser tan rápidos como 28 gigabits por segundo. Los serializadores y deserializadores de alta velocidad son básicamente circuitos analógicos de muy alta velocidad (uno llega a una velocidad lo suficientemente alta, ya nada es realmente digital) y, por lo tanto, necesitan suministros dedicados. En general, estos se suministran con reguladores lineales separados para garantizar que este circuito sensible funcione correctamente y para garantizar que los transitorios de muchos GHz no afecten negativamente a nada más.
La razón para separar VCC analógico y digital y tierra es separar y mantener limpios los rieles. Las entradas analógicas son sensibles al ruido digital.
La razón de los múltiples motivos externos puede deberse a la eficiencia del cableado interno. A veces no es práctico enrutar un terreno internamente en la oblea IC. Pero otra razón es la disipación de calor. Se utilizan múltiples clavijas de tierra, incluidas las conexiones GND debajo de la carcasa, para garantizar una mayor conductividad térmica a la PCB a la que está conectado el IC.
Además, extraer mucha corriente puede no ser práctico en un solo pin. Piense en la resistencia: esos cables son muy delgados y no pueden transportar mucha corriente.
Por lo tanto, un µC más complejo extiende su requerimiento de carga sobre muchos pines. Esta es también la razón por la cual los cables llevan dos o más líneas de alimentación, por ejemplo, Power-over-Ethernet.