Apa alasan bahwa sebagian besar IC (mis. MCU) memiliki banyak (A / D) GND dan (A) pin VCC?
Jika ingin meningkatkan kinerja IC, bagaimana hal itu membantu kinerja? atau apakah lebih mudah bagi perancang IC untuk menghubungkan beberapa pin secara eksternal?
beberapa jejak IC memiliki koneksi GND di bawah case, bagaimana ini membantu? Apakah ini akan meningkatkan kinerja IC jika saya menggambar GND di bawah case meskipun tidak diperlukan?
Jawaban:
Tiga alasan muncul di pikiran:
1) Lihatlah close-up nyali dari mikrokontroler ini.
Ada BANYAK yang terjadi di sana. Dan setiap bagian dari kematian itu membutuhkan kekuatan. Daya yang datang dari salah satu pin mungkin harus memutarnya di sekitar banyak hal untuk mencapai setiap bagian perangkat. Beberapa saluran listrik memberi perangkat banyak jalan untuk menarik daya, yang menjaga voltase tidak turun sebanyak saat kejadian tinggi.
2) Terkadang pin daya yang berbeda memasok periferal khusus dalam chip. Ini dilakukan ketika periferal tertentu perlu membersihkan suplai voltase sebanyak mungkin untuk beroperasi dengan benar. Jika periferal berbagi catu daya yang digunakan sisa chip, mungkin akan menimbulkan gangguan pada saluran dan penurunan tegangan. Contohnya adalah catu daya analog. Anda memperhatikan bahwa biasanya melihat pin AVCC di MCU. Pin itu adalah pasokan khusus hanya untuk periferal analog pada chip. Sungguh, ini hanya perpanjangan dari # 1 di atas.
3) Ini tidak biasa bagi MCU untuk memberi daya pada intinya pada satu tegangan tetapi mengoperasikan periferal di lain. Sebagai contoh, sebuah chip ARM saya bekerja dengan baru-baru ini menggunakan 1.8V untuk intinya. Namun, pin output digital akan memasok 3.3V ketika didorong tinggi. Oleh karena itu, chip memerlukan pasokan 1,8V dan pasokan 3,3V terpisah.
Hal utama yang perlu diingat adalah bahwa semua pin pasokan itu sangat diperlukan untuk terhubung . Mereka tidak opsional, bahkan ketika melakukan pekerjaan pengembangan.
Sedangkan untuk alas bawah pada chip, ada di sana untuk penahan panas ekstra. Perancang chip memutuskan bahwa casing dan pin dari chip mungkin tidak menenggelamkan panas cukup dari silikon. Jadi bantalan ekstra di bagian bawah berfungsi seperti pendingin untuk membantu menjaga suhu tetap rendah. Jika bagian itu diharapkan perlu membuang banyak panas, Anda ingin memiliki tuangkan tembaga besar untuk menyolder pad itu.
Ada tiga alasan utama untuk membutuhkan beberapa pin daya dan ground.
Impedansi. Keripik dapat menarik banyak arus. Chip CMOS khususnya (pada dasarnya semua IC digital modern) menarik arus yang sangat besar untuk periode waktu yang sangat singkat pada setiap siklus clock. Impedansi apa pun (dalam hal ini resistansi atau induktansi) dalam koneksi suplai akan menghasilkan variasi voltase atau tegangan terkulai di jaringan distribusi daya chip. Ini dapat menyebabkan masalah dengan operasi yang andal. Ini juga mengapa kapasitor bypass digunakan; mereka mencegah transien switching ini memengaruhi komponen lain di papan melalui power rails dengan menyediakan jalur balik untuk arus frekuensi tinggi yang sangat dekat dengan chip. Chip besar sebenarnya menempatkan kapasitor bypass langsung pada paket. Jika Anda melihat CPU modern, Anda dapat melihat kapasitor bypass yang disolder ke paket di sekitar chip mati dan / atau di bagian bawah jika ada lubang di pinout. Tempat terbaik untuk meletakkannya adalah pada die itu sendiri, tetapi kapasitor mengambil banyak area silikon dan oleh karena itu ini terlalu mahal untuk dapat dilakukan dalam banyak kasus. Pin pasokan analog terpisah digunakan untuk mencegah perpindahan noise dari bagian digital chip agar tidak mempengaruhi bagian analog pasokan melalui impedansi pin dan / atau kawat ikatan. Pin pasokan berganda juga diperlukan untuk chip yang mengonsumsi jumlah arus yang sangat besar. Sebuah mikroprosesor modern dapat mengkonsumsi sekitar 100 A pada sekitar 1 volt. Resistensi dari kabel pasokan harus sangat rendah, jika tidak akan ada jumlah yang sangat signifikan hilang karena panas.
Persyaratan tegangan berganda. Kadang-kadang bagian chip yang berbeda akan bekerja pada voltase yang berbeda. Contoh klasik adalah inti tegangan rendah dan I / O tegangan tinggi. Inti menggunakan tegangan yang lebih rendah untuk mengurangi konsumsi daya (konsumsi daya dalam CMOS kurang lebih sebanding dengan frekuensi dan kuadrat dari tegangan, jadi jika Anda dapat menurunkan tegangan sebesar 30 persen Anda bisa mendapatkan pengurangan daya 50 persen) sedangkan I / O beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi untuk antarmuka yang lebih baik dengan sirkuit eksternal. Kadang-kadang tegangan inti bahkan variabel. Ini dilakukan dalam teknik optimisasi daya yang disebut voltase dinamis dan penskalaan frekuensi (DVFS). Saat perangkat lunak dimuat pada chip berubah, itu akan memerintahkan frekuensi dan tegangan untuk berubah untuk menghemat daya. Ketika frekuensi diturunkan, tegangan juga dapat diturunkan untuk mencapai '
Persyaratan integritas sinyal. Dalam chip modern, sinyal pada pin dapat bertransisi dengan sangat cepat. Arus yang dibutuhkan oleh transisi ini membutuhkan jalur balik melalui daya atau pin ground. Jika pin ini jauh, pada akhirnya menciptakan loop induktif yang agak besar yang tidak hanya mempengaruhi pin power / ground dan pin sinyal yang dipertanyakan, tetapi juga pin lain dalam loop karena medan magnet. Ini menghasilkan crosstalk di mana satu sinyal mempengaruhi sinyal yang berdekatan. Chip harus dirancang tidak hanya dengan daya yang cukup dan pin ground untuk memasok daya, tetapi juga dengan pin di lokasi yang wajar untuk mengurangi crosstalk.
Xilinx menciptakan skema pinout kekuatan dan tanah tertentu yang disebut chevron tipis. Idenya adalah untuk membuat patten pin daya dan arde yang menempatkan jalur pengembalian sedekat mungkin ke semua pin I / O, sementara tidak memerlukan jumlah pin daya dan arde yang gila. Gambar di bawah ini mewakili semua pin daya dan ground pada Virtex 4 FPGA dalam paket BGA dengan 1513 pin.
Konsentrasi tinggi Vccint dan pin ground di pusat memasok tegangan inti ke die FPGA yang sebenarnya. FPGA dapat menarik hingga 30 atau 40 amp pada 1,2 volt. Jumlah pin yang tinggi diperlukan untuk menyediakan jalur impedansi rendah untuk pasokan arus tinggi ke array logika yang dapat diprogram. Pin Vccaux menyuplai daya ke beberapa sirkuit pendukung, termasuk antarmuka JTAG. Pola Vcco dan pin ground memasok daya ke bank I / O. Mereka juga menyediakan jalur balik untuk sinyal I / O aktual. Setiap pin I / O berdekatan dengan setidaknya satu pin daya atau arde, meminimalkan induktansi dan karenanya crosstalk yang dihasilkan.
Beberapa FPGA juga menggabungkan transceiver kecepatan tinggi yang bisa secepat 28 gigabit per detik. Serializer dan deserializer kecepatan tinggi pada dasarnya adalah sirkuit analog berkecepatan sangat tinggi (yang Anda dapatkan dengan kecepatan yang cukup tinggi, tidak ada yang benar-benar digital lagi) dan karenanya mereka membutuhkan persediaan khusus. Umumnya ini dilengkapi dengan regulator linier terpisah untuk memastikan bahwa sirkuit sensitif ini beroperasi dengan benar dan untuk memastikan transien bernilai banyak GHz tidak mempengaruhi hal lain.
Alasan memisahkan VCC Analog dan Digital dan Ground adalah untuk memisahkan dan menjaga rel tetap bersih. Input analog sensitif terhadap gangguan digital.
Alasan untuk beberapa alasan eksternal dapat disebabkan oleh efisiensi kabel internal. Terkadang tidak praktis untuk mengarahkan landasan secara internal pada IC wafer. Tapi alasan lain adalah pembuangan panas. Beberapa pin ground, termasuk koneksi GND di bawah case, digunakan untuk memastikan lebih konduktivitas termal ke PCB IC terhubung.
Juga, menggambar banyak arus mungkin tidak praktis pada satu pin saja. Pikirkan tentang resistensi: kabel-kabel itu sangat tipis dan tidak dapat membawa banyak arus.
Dengan demikian, μC yang lebih kompleks menyebarkan kebutuhan bebannya ke banyak pin. Ini juga sering menjadi alasan mengapa kabel membawa dua atau lebih saluran listrik, misalnya Power-over-Ethernet.