ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ क्या है: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, आदि

Question

इंटीग्रेटेड सर्किट में 5V, 3.3V, 2.5V के मानक वोल्टेज हैं। 1.8V ...

• ये वोल्टेज कौन तय करता है?
• छोटे उपकरणों को कम वोल्टेज की आवश्यकता क्यों होती है?

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लंबी कहानी संक्षेप में, सिलिकॉन जिस प्रक्रिया पर फैब किया जाता है, उसके द्वारा वोल्टेज को निर्धारित किया जाता है। चूंकि प्रक्रिया का आकार छोटा हो जाता है, इसलिए ब्रेकडाउन वोल्टेज, और इसलिए ऑपरेटिंग वोल्टेज (हालांकि कई अन्य प्रक्रिया विचार हैं)।

— कॉनर वुल्फ

मैं केवल यह बताना चाहता हूं कि यहां कई उत्तर (यहां तक ​​कि बहुत से अपवोट्स के साथ) बस गलत तरीके से गलत हैं , या कम से कम बिना सूचना के अनुमान हैं।

— कॉनर वुल्फ

@ फ़ेक नाम, उन्हें अपनी टिप्पणियों के साथ सही करें।

— थॉमस ओ

5V के बारे में निश्चित नहीं है, लेकिन JEDEC और सेमीकंडक्टर रोडमैप समितियों पर लोगों / कंपनियों ने शायद कुछ कम वोल्टेज पर तर्क / समझौता किया है।

— hotpaw2

Answer 1

नए वोल्टेज को अक्सर उनके सामने आने के साथ कुछ हद तक अनुकूलता देने के लिए चुना गया है।

3V3 CMOS आउटपुट स्तर उदाहरण के लिए, 5V TTL इनपुट के साथ संगत थे।

Answer 2

गेट ज्यामिति सिकुड़ने के रूप में एक कम वीडीडी की आवश्यकता होती है। यह CMOS गेट ऑक्साइड को नुकसान से बचाता है और रिसाव को कम करता है। जब फैब 0.5um से 0.35um तक स्विच किया जाता है, तो पतले गेट केवल 3.6V तक की क्षमता को संभाल सकते हैं। जिसके कारण 3.3V +/- 10% की आपूर्ति हुई। 0.18um पर स्विच के साथ वोल्टेज 1.8V +/- 10% तक कम हो गया था। नवीनतम प्रक्रियाओं में (उदाहरण के लिए 45nm), फाटकों को रिसाव को कम करने के लिए हाई-के डाइलेट्रिक्स जैसे हाफियम से बनाया जाता है।

Answer 3

यह कई कारकों का एक संयोजन है:

• सम्मेलनों - जब एक ही वोल्टेज के साथ चिप्स की आपूर्ति की जाती है, तो सिस्टम को डिज़ाइन करना आसान होता है। इससे भी अधिक महत्वपूर्ण यह है कि आपूर्ति वोल्टेज CMOS डिजिटल आउटपुट के वोल्टेज स्तर और इनपुट के वोल्टेज थ्रेसहोल्ड को निर्धारित करता है। चिप-टू-चिप संचार के लिए मानक 5V हुआ करता था, आजकल यह 3.3V है, हालांकि हाल ही में कम वोल्टेज स्विंग सीरियल संचार इंटरफेस का एक विस्फोट हुआ था। आप कह सकते हैं कि यहां "उद्योग" आपूर्ति वोल्टेज का फैसला करता है।
• सीएमओएस विनिर्माण प्रक्रिया की सीमाएं - जैसा कि एमओएस ट्रांजिस्टर सिकुड़ते हैं, इसलिए गेट इन्सुलेशन सामग्री की मोटाई और चैनल की लंबाई होती है। परिणामस्वरूप विश्वसनीयता मुद्दों या क्षति से बचने के लिए आपूर्ति वोल्टेज को कम करना पड़ता है। I / O इंटरफेस (जैसे 3.3V - ऊपर देखें) पर "सुविधाजनक" आपूर्ति वोल्टेज बनाए रखने के लिए, इन कोशिकाओं को चिप के मूल से अलग (बड़े और धीमे) ट्रांजिस्टर का उपयोग करके बनाया जाता है। यहां "फैब" (जिसने भी वहां निर्माण प्रक्रिया को डिजाइन किया है) वोल्टेज का फैसला करता है।
• बिजली की खपत - प्रत्येक प्रक्रिया पीढ़ी में एक चिप 2x अधिक ट्रांजिस्टर को समायोजित कर सकती है, जो x2 उच्च आवृत्ति पर चल रही है (कम से कम जो हाल तक सच थी) - अगर ऐसा कुछ भी नहीं किया जाता है जो प्रति यूनिट क्षेत्र में बिजली की खपत में 2 * 2 = 4 गुना वृद्धि देता है। इसे कम करने के लिए आपूर्ति वोल्टेज है (या था) बिजली / इकाई क्षेत्र में 2x वृद्धि को छोड़कर, ट्रांजिस्टर के आकार के आनुपातिक रूप से नीचे स्केलिंग। यहां चिप डिजाइनर की आवाज महत्वपूर्ण है।

हाल ही में तस्वीर और अधिक जटिल हो गई - सीमित आंतरिक ट्रांजिस्टर लाभ के कारण आपूर्ति वोल्टेज आसानी से कम नहीं हो सकता है। यह लाभ ट्रांजिस्टर चैनल के "ऑन" प्रतिरोध के बीच एक ट्रेडऑफ़ (किसी दिए गए आपूर्ति वोल्टेज पर) प्रस्तुत करता है, जो स्विचिंग गति को सीमित करता है, और "बंद" प्रतिरोध जो इसके माध्यम से वर्तमान रिसाव का कारण बनता है। यही कारण है कि कोर आपूर्ति वोल्टेज लगभग 1V पर बसा है, जिससे नए डिजिटल आईसी चिप्स की गति अधिक धीरे-धीरे बढ़ती है और उनकी बिजली की खपत पहले की तुलना में तेजी से बढ़ती है। यदि आप विनिर्माण प्रक्रिया परिवर्तनशीलता पर विचार करते हैं तो चीजें खराब हो रही हैं - यदि आप ट्रांजिस्टर को थ्रेशोल्ड वोल्टेज को सही ढंग से स्विच करने की स्थिति में नहीं ला सकते हैं (और जैसा कि ट्रांजिस्टर छोटे हो रहे हैं तो यह बहुत मुश्किल हो जाता है) "ऑन" / "ऑफ" प्रतिरोधों के बीच का अंतर गायब हो जाता है।

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"मैं आपसे एक शब्द कहना चाहता हूं। सिर्फ एक शब्द ... क्या आप सुन रहे हैं?" ग्राफीन। MOSFET मर चुका है; लंबे ग्राफीन FET ... 100 GHz तक रहते हैं।

— एरिक सन

@eryksun - आप ग्राफीन वेफर्स बनाने और उन पर सर्किट्री के फोटोलिथोग्राफिक निर्माण करने के लिए प्रक्रिया का आविष्कार करते हैं। मैं आपके लिए मार्केटिंग करूंगा। ठीक है?

— कॉनर वुल्फ

@eryksun: आप एक लोकप्रिय विज्ञान लेखक होने चाहिए; हमेशा व्यवहार्यता या लागत के किसी भी विचार के बिना "अगली बड़ी बात" पर बात करना।

— निक टी

@Nick_T सिर्फ इसलिए कि मुझे लगता है कि ग्राफीन "अगली बड़ी चीज" है इसका मतलब यह नहीं है कि मुझे लगता है कि यह आसान है। @Fake_Name यह मेरा क्षेत्र नहीं है, लेकिन मैंने ग्राफीन पर लेखों की बढ़ती संख्या देखी है, जो अन्य प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों के बीच स्थिर प्रगति दिखाते हैं। मैं बस "द ग्रेजुएट" में प्लास्टिक के बारे में प्रसिद्ध लाइन के लिए एक मज़ाकिया गठबंधन के साथ एक संभावित 'बेहतर उपकरण' की पेशकश कर रहा था।

— एरिक सन

"100 गीगाहर्ट्ज तक" - ताकि 50Mhz हो सके?

— shuckc

Answer 4

एक पैटर्न का पालन करने के लिए वोल्टेज दिखाई देते हैं:

• 5v के 3.3v = 2/3
• 2.5 वी = 5 वी का 1/2
• 1.8v = ~ 1/3 of 5v (1.7 1/3 के करीब होगा, यह केवल ऑडबॉल लगता है)
• 5v के 1.2v = 1/4

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यदि आप इसके बारे में इस तरह से जाना चाहते हैं, तो मैं इसके बारे में इसी तरह के दृष्टिकोण से सोचता हूं जैसे कि आईसी सुविधा सिकुड़ती है, प्रत्येक का एक कारक घटता है sqrt(2)/2। अभी भी सही नहीं है, लेकिन 10% के भीतर और यह आपके मनमाने अंशों की तुलना में बहुत अधिक समझ में आता है: पी

— निक टी

Answer 5

" छोटे उपकरणों को कम वोल्टेज की आवश्यकता क्यों होती है ?" छोटे आईसी में गर्मी से छुटकारा पाने के लिए सतह कम होती है। जब भी एक IC में कहीं टॉगल किया जाता है, तो एक संधारित्र को चार्ज या डिस्चार्ज (यानी एक CMOS ट्रांजिस्टर का गेट कैपेसिटेंस) करना पड़ता है। हालांकि एक डिजिटल आईसी में ट्रांसिसोटर्स आमतौर पर बहुत छोटे होते हैं, उनमें से बहुत सारे होते हैं, इसलिए यह मुद्दा अभी भी महत्वपूर्ण है। एक संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा 0.5 * C * U ^ 2 के बराबर है। दो बार वोल्टेज हर MOSFET के गेट के लिए इस्तेमाल होने वाली ऊर्जा का 2 ^ 2 = 4 गुना होगा। इसलिए, यहां तक ​​कि एक छोटे से कदम से, कहते हैं, 2.5V से 1.8V एक विचारशील सुधार लाएगा। यही कारण है कि आईसी डिजाइनर दशकों तक सिर्फ 5 वी से चिपके नहीं रहे और इंतजार करते रहे जब तक कि प्रौद्योगिकी 1.2 वी का उपयोग करने के लिए तैयार नहीं हो गई, लेकिन सभी अन्य मज़ेदार वोल्टेज स्तरों का उपयोग किया।

Answer 6

संक्षिप्त उत्तर: TI के geeks ने ऐसा कहा, और बाकी सभी ने संगत या प्रतिस्पर्धी उत्पाद बनाकर सूट किया।

शोर प्रतिरक्षा के लिए 5 वोल्ट चुना गया था । शुरुआती चिप्स पावर हॉग थे, जिससे बिजली की आपूर्ति में हर बार कुछ गड़बड़ हो जाती थी, जिससे डिजाइनर हर चिप के सप्लाई पिन पर कैपेसिटर लगाकर काबू पाने की कोशिश करते थे। फिर भी, हेडरूम के अतिरिक्त 2.4 वोल्ट ने उन्हें 0.8V और 2.2V के बीच निषिद्ध क्षेत्र में जाने के खिलाफ एक तकिया दिया। इसके अलावा, ट्रांजिस्टर के कारण ~ 0.4 वी वोल्टेज केवल उनके संचालन से गिर गया।

बैटरी जीवन का विस्तार करने के लिए आपूर्ति वोल्टेज कम हो रहा है, और क्योंकि आपके पोर्टेबल उपकरणों को छोटा और हल्का बनाने के लिए चिप मर रहा है। चिप पर घटकों के करीब रिक्ति अत्यधिक हीटिंग को रोकने के लिए कम वोल्टेज की मांग करती है और क्योंकि उच्च वोल्टेज पतले इन्सुलेशन के माध्यम से पार कर सकता है।

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यदि आपूर्ति प्रतिबाधा समान है, तो स्विचिंग के कारण वोल्टेज में उतार-चढ़ाव आपूर्ति वोल्टेज के आनुपातिक नहीं होगा?

— निक टी

Answer 7

जो कोई आईसी करता है, वह अपनी जरूरत के हिसाब से वोल्टेज तय करता है।

पुराने दिनों में किसी ने डिजिटल लॉजिक के लिए 5V का उपयोग करना शुरू कर दिया था और जो लंबे समय तक अटका रहा, मुख्य रूप से इसलिए कि एक चिप को बेचना बहुत कठिन होता है, जिसे 4V की आवश्यकता होती है जब हर कोई बहुत सारे चिप्स के साथ डिजाइन कर रहा होता है जो 5V पर चलते हैं।

iow: इसका कारण यह है कि हर कोई एक ही वोल्टेज का उपयोग नहीं करता है, यह उन सभी के लिए समान प्रक्रिया का चयन करने का मामला नहीं है क्योंकि यह उन डिजाइनरों द्वारा "असामान्य" वोल्टेज का उपयोग करने के लिए शापित नहीं होना चाहता है जो अपने चिप्स का उपयोग करते हैं।

एक निश्चित गति पर सिग्नल स्विच करने से वोल्टेज अधिक होने पर अधिक शक्ति लगती है, इसलिए उच्च गति के साथ आपको वर्तमान को नीचे रखने के लिए कम वोल्टेज की आवश्यकता होती है, इसीलिए पुराने चिप्स की तुलना में तेज, सघन, आधुनिक सर्किट कम वोल्टेज का उपयोग करते हैं।

कई चिप्स भी i / o के लिए 3.3V और एक कम वोल्टेज का उपयोग करते हैं, जैसे कि आंतरिक कोर के लिए 1.8V।

चिप डिजाइनर जानते हैं कि 1.8V एक ऑडबॉल वोल्टेज है और अक्सर चिप के लिए कोर वोल्टेज प्रदान करने के लिए एक आंतरिक नियामक होगा, जिससे डिजाइनर को कोर वोल्टेज उत्पन्न करने से बख्शा जाएगा।

दोहरे वोल्टेज की स्थिति के एक उदाहरण के लिए ENC28J60 पर एक नज़र डालें जो 3.3V पर चलता है, लेकिन इसमें एक आंतरिक 2.55 नियामक है।

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dsPIC33F और PIC24F के पास 2.5V रेगुलेटर हैं जो कोर को चलाने के लिए हैं, कुछ AT32 के 1.8V रेज हैं।

— थॉमस ओ

यह नहीं समझाता है कि कैसे सभी ने एक ही वोल्टेज को चुना? मुझे पता है कि निर्माताओं को समान वोल्टेज का उपयोग करना होगा, लेकिन उन्हें पहले स्थान पर क्यों चुना?

— थॉमस ओ

मुझे कोई अंदाजा नहीं है, मेरा अनुमान है कि आईसी डिज़ाइनरों द्वारा चुने गए प्रत्येक वोल्टेज के कुछ विशिष्ट कारण थे, जब उन्होंने पहली बार उन्हें चुना था, लेकिन सबसे मजबूत कारण यह है कि "हर कोई" एक ही वोल्टेज का उपयोग करने लगता है कि "हर कोई" लगता है उस वोल्टेज का उपयोग करने के लिए।

— dren.dk

@thomas o क्या आपने इंजीनियरिंग इतिहास में जाने पर विचार किया है? लगता है कि आप इस में रुचि रखते हैं।

— कालेनजब

Answer 8

वोल्टेज भौतिक सामग्री (सेमीकंडक्टर सामग्री किसी भी तरह) और चिप बनाने में उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाओं द्वारा तय किए जाते हैं। (मुझे आशा है कि मैं यहाँ सही शब्दों का उपयोग कर रहा हूँ ...) विभिन्न प्रकार के अर्धचालकों में अलग-अलग अंतराल वोल्टेज होते हैं - अनिवार्य रूप से वोल्टेज जो उन्हें सक्रिय करता है। जब वे लेआउट (मेरा मानना ​​है) करते हैं तो कम वोल्टेज को अधिक मज़बूती से काम करने की अनुमति देने के लिए चिप की संरचना का अनुकूलन भी कर सकते हैं।

यह इतना अधिक नहीं है कि छोटे उपकरणों को कम वोल्टेज की आवश्यकता होती है, यह है कि उन्होंने उन्हें छोटे वोल्टेज का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया है क्योंकि कम वोल्टेज का मतलब कम गर्मी लंपटता और संभावित तेज संचालन है। 10MHz क्लॉक सिग्नल रखना आसान है अगर इसे केवल 0V और 1.8V के बीच जाना है।

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गेट कैपेसिटी को 0.9 * पर चार्ज करना Vdd की परवाह किए बिना 2.3 समय स्थिरांक लेता है। एक छोटे से गेट में कम कैपेसिटी होती है, जो आरसी के समय को स्थिर और कम 0.5C * V ^ 2 स्विचिंग एनर्जी देता है। इसके अलावा, एक छोटे गेट के लिए रिसाव धाराओं को कम करने के लिए एक कम गेट वोल्टेज की आवश्यकता होती है, जो बिजली की खपत को कम करता है। दूसरी ओर, एक उच्च गेट वोल्टेज फैनआउट में चार्जिंग करंट को बढ़ाता है (समय स्थिर में आर को कम करता है)। इस प्रकार ओवरक्लॉकर वीडी को बढ़ाते हैं - बिजली की खपत और अधिक विस्तृत शीतलन की कीमत पर।

— एर सन सन