Qual é a razão pela qual a maioria dos ICs (por exemplo, MCU) possui vários pinos GND (A / D) e (A) VCC?
Se é para aumentar o desempenho de um IC, como isso ajuda no desempenho? ou é mais fácil para o designer de IC conectar alguns pinos externamente?
algumas pegadas de ICs têm uma conexão GND no caso, como isso ajuda? Melhoraria o desempenho de um IC se eu desenhar um GND no caso, mesmo que não seja necessário?
Respostas:
Três razões vêm à mente:
1) Dê uma olhada neste close-up das entranhas de um microcontrolador.
Há muita coisa acontecendo lá. E toda parte desse dado precisa de poder. A energia proveniente de qualquer pino provavelmente precisará sobrecarregar muitas coisas para chegar a todas as partes do dispositivo. Múltiplas linhas de energia fornecem ao dispositivo várias vias para extrair energia, o que evita que a tensão caia tanto durante eventos de alta corrente.
2) Às vezes, os diferentes pinos de alimentação fornecem periféricos específicos dentro do chip. Isso é feito quando certos periféricos precisam de uma fonte de tensão o mais limpa possível para operar corretamente. Se os periféricos compartilharem a fonte de alimentação usada pelo restante do chip, poderá estar sujeito a ruídos na linha e quedas de tensão. Um exemplo é a fonte de alimentação analógica. Você notou que é típico ver um pino AVCC nas MCUs. Esse pino é um suprimento dedicado apenas para os periféricos analógicos no chip. Realmente, esta é apenas uma extensão do nº 1 acima.
3) Não é incomum que um MCU ligue seu núcleo em uma voltagem, mas opere periféricos em outra. Por exemplo, um chip ARM com o qual trabalhei recentemente usou 1,8V em seu núcleo. No entanto, os pinos de saída digital forneceriam 3,3V quando elevados. Portanto, o chip exigia uma fonte de 1,8V e uma fonte de 3,3V separada.
O principal a lembrar é que todos esses pinos de suprimento são necessários para se conectar . Eles não são opcionais, mesmo ao realizar trabalhos de desenvolvimento.
Quanto ao bloco inferior do chip, ele existe para dissipação de calor extra. O projetista do chip decidiu que a carcaça e os pinos do chip podem não dissipar o calor o suficiente do silício. Portanto, a almofada extra na parte inferior funciona como um dissipador de calor para ajudar a manter a temperatura baixa. Se é esperado que a peça precise dissipar muito calor, convém colocar um grande cobre para soldar a almofada.
Existem três razões principais para exigir vários pinos de alimentação e terra.
Impedância. Os chips podem atrair muita corrente. Os chips CMOS em particular (basicamente qualquer CI digital moderno) consomem grandes quantidades de corrente por períodos muito curtos em cada ciclo de clock. Qualquer impedância (neste caso, resistência ou indutância) na conexão de alimentação resultará em variações de tensão ou queda de tensão na rede de distribuição de energia do chip. Isso pode causar problemas com a operação confiável. É também por isso que capacitores de desvio são usados; eles impedem que esses transientes de comutação afetem outros componentes na placa através dos trilhos de energia, fornecendo um caminho de retorno para as correntes de alta frequência muito próximas ao chip. Na verdade, chips grandes colocam capacitores de derivação diretamente na embalagem. Se você olhar para uma CPU moderna, você pode ver capacitores de desvio soldados na embalagem em torno da matriz de chip e / ou na parte inferior, se houver um orifício na pinagem. O melhor lugar para colocá-los seria no próprio molde, mas os capacitores ocupam muita área de silício e, portanto, isso é muito caro para ser viável na maioria dos casos. Os pinos de alimentação analógica separados são usados para impedir que o ruído de comutação da parte digital do chip afete a parte analógica da fonte através da impedância do pino e / ou do fio de ligação. Também são necessários vários pinos de alimentação para chips que consomem grandes quantidades de corrente. Um microprocessador moderno pode consumir cerca de 100 A a cerca de 1 volt. A resistência da fiação de alimentação deve ser muito baixa, caso contrário, haverá uma quantidade muito significativa perdida pelo calor.
Múltiplos requisitos de tensão. Às vezes, partes diferentes de um chip funcionam com tensões diferentes. Um exemplo clássico é um núcleo de baixa tensão e E / S de alta tensão. O núcleo usa uma tensão mais baixa para reduzir o consumo de energia (o consumo de energia no CMOS é mais ou menos proporcional à frequência e ao quadrado da tensão, portanto, se você pode abaixar a tensão em 30%, pode obter uma redução de 50% na energia) enquanto a E / S é executada em uma tensão mais alta, a fim de interagir melhor com os circuitos externos. Às vezes, a tensão do núcleo é variável. Isso é feito em uma técnica de otimização de energia chamada de tensão dinâmica e escala de frequência (DVFS). À medida que a carga do software no chip muda, ele comandará a frequência e a tensão para mudar para economizar energia. Quando a frequência é reduzida, a tensão também pode ser reduzida para obter um '
Requisitos de integridade do sinal. Nos chips modernos, os sinais nos pinos podem fazer a transição muito rapidamente. A corrente requerida por essas transições requer um caminho de retorno através de uma fonte de alimentação ou de um pino de aterramento. Se este pino estiver longe, ele cria um loop indutivo bastante grande que não afeta apenas o pino de alimentação / terra e o pino de sinal em questão, mas também quaisquer outros pinos do loop devido ao campo magnético. Isso resulta em diafonia, onde um sinal afeta sinais adjacentes. Os chips precisam ser projetados não apenas com pinos de energia e terra suficientes para fornecer energia, mas também com pinos em locais razoáveis para reduzir a diafonia.
A Xilinx criou um esquema específico de pinagem de energia e terra, chamado chevron esparso. A idéia é criar um padrão de pinos de alimentação e aterramento que coloque os caminhos de retorno o mais próximo possível de todos os pinos de E / S, sem exigir um número insano de pinos de alimentação e aterramento. A figura abaixo representa todos os pinos de alimentação e terra de um FPGA Virtex 4 em um pacote BGA com 1513 pinos.
A alta concentração de pinos Vccint e de aterramento no centro fornece a tensão do núcleo para a matriz FPGA real. O FPGA pode consumir até 30 ou 40 amperes a 1,2 volts. O alto número de pinos é necessário para fornecer um caminho de baixa impedância para o fornecimento de alta corrente à matriz lógica programável. Os pinos Vccaux fornecem energia para alguns circuitos de suporte, incluindo a interface JTAG. O padrão de pinos Vcco e terra fornece energia aos bancos de E / S. Eles também fornecem caminhos de retorno para os sinais de E / S reais. Cada pino de E / S é adjacente a pelo menos um pino de energia ou terra, minimizando a indutância e, portanto, a diafonia gerada.
Alguns FPGAs também incorporam transceptores de alta velocidade que podem atingir 28 gigabits por segundo. Os serializadores e desserializadores de alta velocidade são basicamente circuitos analógicos de velocidade muito alta (um que você alcança uma velocidade suficientemente alta, nada é mais digital) e, portanto, eles precisam de suprimentos dedicados. Geralmente, eles são fornecidos com reguladores lineares separados para garantir que esse circuito sensível funcione corretamente e para garantir que os muitos transientes em GHz não afetem adversamente qualquer outra coisa.
O motivo para separar o VCC analógico e digital e o terra é separar e manter os trilhos limpos. As entradas analógicas são sensíveis ao ruído digital.
O motivo de vários aterramentos externos pode ser devido à eficiência da fiação interna. Às vezes, não é prático rotear um terreno internamente no wafer IC. Mas outro motivo é a dissipação de calor. Vários pinos de aterramento, incluindo as conexões GND do gabinete, são usados para garantir mais condutividade térmica ao PCB ao qual o IC está conectado.
Além disso, desenhar muita corrente pode ser impraticável em apenas um pino. Pense em resistência: esses fios são muito finos e não podem suportar muita corrente.
Assim, um µC mais complexo espalha sua exigência de carga por muitos pinos. Esse também é frequentemente o motivo pelo qual os cabos transportam duas ou mais linhas de energia, por exemplo, Power-over-Ethernet.