Огляд мікросхем з низькою напругою живлення. Характеристики, особливості, застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТEРСТВO OСВІТИ І НAУКИ

НAЦІOНAЛЬНИЙ ТEХНІЧНИЙ УНІВEРСИТEТ УКРAЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПOЛІТEХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Рaдіoтeхнічний фaкультeт

Рeфeрaт

Нa тeму: «Огляд мікросхем з низькою напругою живлення. Характеристики, особливості, застосування»

Викoнaла:

ст. групи РБ-31

Гончарук А.В.

Київ-2016

До появи мікросхем з напругою живлення 3.3 В та переходу з 5В логіки привели наступні причини:

1. Потреба зменшити споживану енергію, не втрачаючи при цьому продуктивності. Цьому сприяла поява кишенькових електронних пристроїв.

2. Бажання збільшити щільність компонування кристала за рахунок зменшення розмірів транзисторів. Особливо сильно щільність компонування впливала на мікросхеми пам'яті. Сьогодні мікросхеми ОЗП великого обсягу випускаються переважно з напругою живлення 3В і вимагають для себе відповідної інтерфейсного оточення.

3. Бажання зробити роботу мікросхем більш стабільною і знизити кількість розсіюваної у вигляді тепла енергії. При роботі на одних і тих же частотах мікросхеми з напругою живлення 3 В споживають приблизно в 2 рази менше енергії, ніж мікросхеми з напругою 5 В (рис. 1).

Рис. 1. Споживання енергії мікросхемами з різними напругами живлення

Низьке споживання енергії тягне за собою невисоку вартість пристрою. Ця якість, яка зробила популярною технологію КМОН, робить популярною і трьохвольтову технологію. По-перше, зникають тепловідводи і здешевлюється блок живлення. Зменшуються шуми в ланцюгах живлення. По-друге, здешевлюється експлуатація електронного приладу. Крім того, комп'ютери і інші пристрої на батарейках і зі змішаним живленням важко зробити на логічних мікросхемах зі звичайним напругою живлення. У той час як переносні і кишенькові комп'ютери можуть працювати від батареї 4 - 6 годин, трьохвольтова технологія збільшує тривалість автономної роботи до 10 - 12 годин, і батареї вистачає на повний робочий день.

Напруга живлення логічних мікросхем визначилася батарейками що випускаються. Дві пальчикові батареї типу AA дають напругу 3 В, яка знижується при розрядці до 2,7 В. Три заряджені нікель-кадмієві батареї дають напругу 3,6 В, яка може коливатися від 3,6 до 3,3 В. Тому напруга живлення на мікросхемах може змінюватися від 2,7 до 3,9 В. Оскільки продуктивність приладу змінюється при різних напругах живлення, необхідно бути впевненим , що прилад працює при всіх допустимих напругах.

Перехід на мікросхеми з напругою живлення 3,3 В

Несумісність великої кількості працюючих систем з напругою живлення 5 В і нових систем з напругою 3,3 В проблемою, що часто зустрічається. Здатність мікросхем працювати від джерел живлення з різними напругами дозволяє старим і новим системам працювати спільно. Мікросхеми, що працюють в цьому режимі, повинні витримувати на вході напруга 5,5 В без обмежень за часом. Інша вимога до цих мікросхем - здатність генерувати достатньо великий вихідний струм для управління входами логіки старого типу.

При підключенні 3-х вольтових логічних мікросхем до 5-ти вольтовим необхідно враховувати рівні високої та низької напруги приймача і передатчика. На рис. 2 показані логічні рівні КМОН, ТТЛ і мікросхем серії LVC (Low Voltage CMOS - мікросхеми КМОН з низьким рівнем напруги живлення). Логічні рівні різних серій відрізняються один від одного, і це необхідно враховувати при сполученні мікросхем.

Існують чотири варіанти підключення мікросхем з різними рівнями живлення один до одного (рис. 2).

Рис.2. Можливі варіанти інтерфейсів мікросхем з різним напругою живлення

Варіант 1

Як показано на рис. 3, рівні перемикання 5 В ТТЛ і 3 В LVC однакові. Ті мікросхеми, які можуть витримувати постійну напругу до 6,5 В на своїх входах, не вимагають інтерфейсної логіки. Ті, які не витримують, вимагають підключення між виходами ТТЛ і входами трантранслятора рівня. Їм може бути мікросхема серії CBT (CrossBar Technology) або інший перетворювач. Мікросхеми серії CBTD, на відміну від CBT, мають вбудований діод для зниження рівня сигналу, що передається.

мікросхема логіка інтерфейс

Рис.3. Порівняння логічних рівнів мікросхем 3.3В і 5В

Варіант 2

Рівні перемикання однакові. Ніяких додаткових інтерфейсних елементів не потрібно. Хоча можливість управління 5-ти вольтової логікою за допомогою 3-х вольтової може здатися дещо дивною, тим не менше 3-х вольтові мікросхеми дають на виході рівні напруги VOH і VOL відповідно 2.4 і 0.4В. 5-ти вольтові мікросхеми вимагають напругу на вході VIH і VIL рівними 2 та 0.8В.

Варіант 3

Мікросхема КМОН подає сигнали на мікросхему LVC. Незважаючи на те, що є певна невідповідність рівнів сигналів, мікросхеми LVC, здатні витримати на вході постійну напругу 5 В, можуть бути підключені без додаткових елементів. Інші мікросхеми LVC потребують трансляторів рівня сигналу.

Варіант 4

Через розбіжність високого рівня на виході LVC (2,4 В) і високого рівня на вході КМОП (3,5 В) пряме підключення неможливо. У таких випадках рекомендується використовувати транслятори рівня при двох значеннях напруги - 5 і 3,3 В. Такий транслятор підключається до шин живлення обох мікросхем і підвищує рівень сигналу. Цим транслятором можуть бути мікросхеми, що випускаються фірмою Texas Instruments: SN74ALVCH16245 або SN74LVC16245.

Існує два стандартних методу сполучення 5-ти і 3-ч вольтових мікросхем:

1) Використання трансляторів 5В/3В. Перетворювачі рівнів - клас мікросхем, які мають дві напруги живлення і забезпечують інтерфейс між двома типами мікросхем. Вони можуть успішно використовуватися при створенні схем з наступними обмеженнями. Перетворювачі з двома напругами живлення пред'являють жорсткі вимоги до порядку включення напруги живлення. Це пояснюється тим, що при скачках напруги мікросхеми, які підключені до перетворювача, можуть бути пошкоджені. Ці вимоги іноді буває важко виконати, і, в будь-якому випадку, вони знижують гнучкість системи.

2) Використання 3,3 В мікросхем із входами, сумісними з 5-ти В сигналами. Багато серії мають такі входи, і для створення інтерфейсу від 5-ти вольтової логіки до 3-х вольтової не потрібно використовувати ніяких додаткових мікросхем. Але так як такі входи мають мікросхеми не всіх серій, то необхідно ретельно перевіряти параметри входів в документації.

Також існує ще кілька способів з'єднати логіку двох типів разом. Один з них - використовувати мікросхеми серії CBT. Шинний перемикач CBT можна застосовувати як двонаправлений інтерфейс між мікросхемами з напругою живлення 5 В і 3 В. Інтерфейс буде споживати мінімальний струм (не більше 10 мА) і вносити затримку сигналу не більше ніж на 250 пс. Коли напруга на вході мікросхеми дорівнює напрузі живлення, напруга на виході буде десь на 1 В нижче напруги живлення. Користуючись цією властивістю мікросхем CBT, можна отримати на виході необхідну напругу, подаючи на вхід живлення мікросхеми 4,3 В (це напруга, що отримується за допомогою діода, підключеного до мережі живлення 5 В). При цьому головне - не допустити появи на входах 3-х вольтової мікросхеми напруги більшої, ніж напруга її живлення, і меншої, ніж напруга землі.

Загалом, на ринку присутні декілька великих фірм, що виробляють мікросхеми з низькою напругою живлення. На Рис.4. зображена таблиця порівняння усіх серій мікросхем виробництва Philips.

Рис.4.

LV - серія, що розроблялась найдавніше вид усіх, тому має параметрі гірші ніж у інших. Поступово, з ростом технологій, низьковольтні мікросхеми збільшували свій показник швидкодії, та головним завданням було отримання мікросхеми з високим показником швидкодії та малим споживаним струмом. В залежності від потрібної максимальної частоти роботи мікросхеми, можуть бути обрані мікросхеми відповідної серії.

Загалом, низьковольтна серія вироблялась спеціально для роботи з пониженим трьохвольтовим живленням. Основне функціональне призначення цих мікросхем - це робота з шинами даних.

GTL логіка - це один з видів низьковольтної надшвидкодіючої серії мікросхем цифрової логіки. Особливість цієї серії полягає в тому, що він має розмах напруги від 0,4 до 1,2В. А це набагато менше, ніж в ТТЛ або КМОП логіці. Загалом, вони працюють на частотах до 100МГц, але деякі мікросхеми можуть мати і більшу швидкодію. Ця серія була розроблена щє в 1993 році і використовувалася для сполучення даних під час передачі по довгих лініях.

Ці серії можуть сполучатися, або працювати разом з КМОП і ТТЛ логікою, оскільки їх виходи мають відкритий колектор.

Зараз, Intel використовує логіку GTL у шинах починаючи з процесору Pentium Pro, а пізніші серії використовують логіку GTL+ або Advanced GTL.

LVQ серія, що має напругу живлення 3,3В і 5В входи теж може сполучати серії мікросхем низьковольтної технології та КМОП або ТТЛ логіки.

LV логіка, була найпершою серією розроблених низьковольтних мікросхем, і вона мала логічні рівні, відмінні від ТТЛ логіки. Наряду з вирішенням проблеми зменшення споживаного струму, виникла інша проблема сполучення мікросхем з логічними рівнями різних серій. Тому, на зміну LV серії, з'явилася LVT серія, що зберігала ТТЛ логічні рівні, і постійно модернізується, і спричиняє вихід на ринок нових серій мікросхем (ALVT та ін..), що мають ще більшу швидкодію, та займають менше місця.

Відповідно, на ринок з'явилися серії мікросхем ALVC, LVT, ALVT, AVC, і постійно заміняли у використанні існуючі старі серії мікросхем. ТТЛ сумісність, мають тільки серії мікросхем LVC, LVT та ALVT.

Зараз, активно використовуються серії GLT логіки в мікросхемах пам'яті, або на шинах даних у процесорах Intel та інших. В інших пристроях знайшли своє використання мікросхеми ALVT або LVC логіки.