10 (562167), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Т.к. шинные преобразователинапряжения обычно являются КМОП-схемами, они имеют очень низкое значениепотребляемой мощности. Величина рассеиваемой мощности, усредненная запродолжительный период, составляет 5 мВт на один корпус (10 переключателей), и она независит от частоты сигналов, проходящих через схему. Шинные переключатели обычноимеют 8 – 20 выводов на корпус и занимают примерно от 25 до 50 кв.мм. площади платы.Бывает, что при добавлении интерфейсной логики в схеме возможно увеличение задержкираспространения сигнала. Это может привести к появлению множества связанных современем проблем при проектировании. QuickSwitch обладает очень маленьким временемзадержки распространения сигнала (менее 0.25 нс), как показано на рис.
10.7.10aНАПРЯЖЕНИЕ, ВИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШИННОГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ QS3384 QuickSwitch®ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ПИТАНИЯ 4.3 ВVINVOUT2.0 В0.8 ВВХОДНЫЕ ПОРОГИ5 В ТТЛ3.3 В LVTTLВРЕМЯ (нс)С разрешения: Integrated Device Technology (IDT), Inc., 2975 Stender Way, Santa Clara, CA 95054httр://www.idt.comРис. 10.7УСТОЙЧИВОСТЬ И СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ,ОБЕСПЕЧИВАЕМАЯ СРЕДСТВАМИ САМОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫТребования по низкой потребляемой мощности и хорошей производительности ИСпривели к тому, что производители соревнуются между собой в проектированиимикросхем, работающих при VDD = 2.5 В и ниже и при этом совместимых с ТТЛ и КМОП.На рис.10.8 представлена структурная схема логического вентиля, в котором логическоеядро может работать при пониженном напряжении, тогда как выходной драйвер работаетпри стандартном напряжении питания, например, 3.3 В.Технология, которой следовали большинство производителей, заключается в созданииотдельного интерфейса для входов и выходов, т.е.
драйверы входов и выходов работаютпри напряжении питания 3.3 В, оставшаяся часть микросхемы – при напряжении 2.5 В,таким образом устройство может быть ТТЛ-совместимым и отвечать требованиям дляпорогов VOH и VOL. Внешнее питание 3.3 В требуется для того, чтобы ИС была устойчивак напряжению 3.3 В. Это приводит к дополнительному усложнению, связанному сналичием двух напряжений питания для чипа, но в перспективе дополнительноенапряжение питания будет генерироваться в самой микросхеме.Более гибкая технология (использованная в DSP серии ADSP-218xM) заключается вобеспечении отдельного интерфейса входов/выходов с отдельным внешним напряжениемпитания, с возможностью установить это напряжение равным рабочему напряжению ядрапроцессора, если это необходимо.
Такая схема обеспечивает устойчивость к напряжению3.3 В, если внешнее напряжение составляет 2.5 В; или устойчивость к напряжению 3.3 Ви совместимость к 3.3-вольтовым устройствам, если внешнее напряжение равно 3.3 В.11aСуществуют разработки, в которых используется эта технология частично, например,устройства VCX являются устойчивыми к 3.3 В при напряжении ядра и напряженииинтерфейса входов/выходов равном 2.5 В, но они не обладают совместимостью с 3.3вольтовыми устройствами. Другие существующие проекты и патенты в этой области неподдерживают полностью устойчивость и совместимость и требования по низкомупотреблению тока при работе в режиме ожидания.КМОП ИССО ВТОРИЧНЫМ КОНТУРОМ ВХОДОВ/ВЫХОДОВVDD ВНУТРЕННЕЕ (ЯДРА)VDD ВНЕШНЕЕВТОРИЧНОЕКОЛЬЦО ВХ./ВЫХ.PMOSВХОДЛОГИЧЕСКОЕЯДРОВЫХОДNMOS"ЗЕМЛЯ"ВНЕШНЯЯ"ЗЕМЛЯ"ЯДРАADSP-21xx M-серииVDD ВНЕШНЕЕ = +3.3 В ИЛИ +2.5 ВVDD ЯДРА = +2.5 ВВХОД УСТОЙЧИВ К НАПРЯЖЕНИЮ +3.3 ВРис.
10.8Существует несколько важных аспектов при разработке устройств с двумя напряжениямипитания:1. Последовательность включения питания: Если требуется два источникапитания для обеспечения дополнительной устойчивости/совместимости, токакой должна быть последовательность включения питания? Необходимо ливключать оба источника питания одновременно, или устройство можетработать при подаче питания только на ядро или только на интерфейсвходов/выходов?2. Технология производства микросхем и защита от электростатическогоразряда (ESD): Транзисторы, создаваемые в процессе производства ИС, должныне только выдерживать, но и управлять сигналами высокого напряжения.Создание высоковольтных транзисторов увеличивает себестоимостьпродукции, т.к.
для обеспечения устойчивости к высокому напряжениютребуются дополнительные меры. Разработка же устройства со стандартнымитранзисторами потребует дополнительного схемотехнического усложнения.Кроме того, драйверы входов/выходов должны обеспечивать защиту устройстваот электростатического разряда (ESD). В большинстве современных разработок12aдопустимое напряжение на входе ограничено величиной напряжения питанияплюс прямое падение напряжения на диоде (0.7 В). Защита от более высокогонапряжения требует создания большего количества диодных переходов.3. Встроенные средства генерации высокого напряжения. Транзисторы сканалами p-типа (PMOS) должны помещаться в область на кристалле, котораяподключена к самому высокому имеющемуся на кристалле напряжению, чтобыпредотвратить открывание диодного перехода и протекание избыточных токов.Это высокое напряжение может быть или генерировано на кристалле припомощи зарядного насоса, или поступать от внешнего источника.
Этотребование может сделать осуществление проекта более сложным, т.к.невозможно эффективно использовать зарядные насосы для генерированиявысокого напряжения и в то же время обеспечить малый ток потребленияв режиме ожидания.4. Площадь кристалла: Размер кристалла играет решающую роль приуменьшении себестоимости и повышении эффективности. Обеспечениеустойчивости и совместимости схемы может потребовать дополнительнойплощади для драйверов входов/выходов, чтобы получить необходимыепараметры.5. Тестирование: Т.к.
сердечник и драйверы входов/выходов могут работать приразличных напряжениях питания, тестирование устройства по всем возможнымкомбинациям напряжений может быть затруднительным, что отражается наобщей стоимости продукции.ИНТЕРФЕЙСЫ МЕЖДУ СИСТЕМАМИ С НАПРЯЖЕНИЯМИ ПИТАНИЯ3.3 В И 2.5 ВСерия Fairchild 74VCX164245 – это низковольтные 16-битные преобразователи/приемопередатчики с двойным питанием и с тремя состояниями на выходе. Упрощеннаяструктурная схема показана на рис.10.9.
Эти устройства используют низковольтныйстандарт VCX, который обсуждался ранее. Схема выходного драйвера питается от шиныпитания VDDB, обеспечивая устойчивость и совместимость выхода с напряжением VDDB.Входная схема питается от шины питания VDDA, и входная логическая схема регулируетуровни порогов на входе логики в соответствии с конкретным значением VDDA. Нарис.10.10 показаны входные пороги для стандарта VCX при напряжении питания 3.3 В,2.5 В и 1.8 В. Обратите внимание, что входное напряжение 3.3 В допустимо при любом изтрех напряжений питания.Эти устройства рассеивают около 2 мВт на каждый вход/выход и выпускаются в корпусахTSSOP с 48 выводами и с напряжением питания 2.5 В. Задержка распространениясоставляет около 3.2 нс.На рис.10.11 показано два возможных варианта сопряжения 3.3-вольтовой и 2.5-вольтовойлогики.
На верхнем рисунке (А) показано прямое включение. Эта схема будет работать,если 2.5-вольтовая ИС обладает устойчивостью к 3.3 В на входе. Если 2.5-вольтовая ИСне является устойчивой к 3.3 В, то может использоваться VCX-преобразователь, какпоказано на рис.10.11 (B).13aПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ FAIRCHILD 74VCX164245ШИНА VDDBШИНА VDDAVDDBVDDAВХОДЛОГИКАСХЕМАУСТАНАВЛИВАЮЩАЯУРОВНИВХОДНЫХПОРОГОВЛОГИКАPMOSВЫХОДЛОГИКАNMOSХАРАКТЕРИСТИКИ ИС 74VCX164245:Потребляемая мощность = 2 мВт на канал216-битный в 48-выводном корпусе TSSOP пл.
100 ммЗадержка распространения 3.2 нс при питании 2.5 ВРис.10.9СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ДЛЯ ИС VCX(ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ FAIRCHILD 74VCX164245)3.3 В3.5НАПРЯЖЕНИЕ, В3.0I2.5 В1.8 ВOI = ВХОДO = ВЫХОД2.5IO2.0I1.5O1.00.50–12 мА–12 мАРис.10.1014–6 мАaИНТЕРФЕЙС МЕЖДУ СИСТЕМАМИС НАПРЯЖЕНИЯМИ ПИТАНИЯ 3.3 В И 2.5 ВШИНА +3.3ВAЛОГИКА+3.3В ± 10%ШИНА +2.5ВПРЯМОЕСОЕДИНЕНИЕЛОГИКА+2.5В ± 10%ДОПУСТИМО, ЕСЛИ2.5-ВОЛЬТОВАЯЛОГИКА УСТОЙЧИВАК 3.3 В (3.6 В МАКС.)ШИНА +2.5ВШИНА +3.3ВПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬBЛОГИКА+2.5В ± 10%ЛОГИКА+3.3В ± 10%Рис.10.11На рис.10.12 А показано прямое соединение между ИС с напряжениями питания 2.5 В и3.3 В. Чтобы данная схема работала, выход 2.5-вольтовой микросхемы долженобеспечивать хотя бы 2 В.
При отсутствии нагрузки на выходе 2.5-вольтовой микросхемы,вход 3.3-вольтовой ИС соединяется напрямую с шиной +2.5 В через внутреннеесопротивление PMOS транзистора RON. Таким образом обеспечивается запаспомехоустойчивости 0.5 В при номинальном напряжении питания 2.5 В. Однако ввидудопустимого 10%-ного разброса напряжение на шине 2.5 В может упасть до минимума в2.25 В, и запас помехоустойчивости уменьшается до 0.25 В. Эта схема может тем не менееработать при сравнительно "тихом" окружении, но работать на пределе, если внапряжении источника питания присутствует шум.Добавление "подтягивающего" резистора сопротивлением 1.6 кОм, как показано на рис.10.12 В, гарантирует, что напряжение на выходе 2.5-вольтовой ИС не упадет ниже 2.5 Впри наличии тока на входе 3.3-вольтового устройства, но запас помехоустойчивости всетаки уменьшится при напряжении питания 2.25 В.
При скважности 50% данный резистордобавляет примерно 3.4 мВт рассеиваемой мощности на каждый выход.Более надежный интерфейс между 2.5-вольтовой и 3.3-вольтовой системами показан нарис.10.12 С; здесь используется преобразователь VCX. С его помощью решаются всепроблемы, связанные с запасом помехоустойчивости, имеющиеся в схемах (А) и (В), и онпотребляет около 2 мВт на каждый вход.15aИНТЕРФЕЙС МЕЖДУ СИСТЕМАМИС НАПРЯЖЕНИЯМИ ПИТАНИЯ 2.5 В И 3.3 ВШИНА +3.3ВШИНА +2.5ВAЛОГИКА+2.5В ± 10%(+2.25 В МИН)ПРЯМОЕСОЕДИНЕНИЕЛОГИКА+3.3В ± 10%НЕОБХОДИМООБЕСПЕЧИТЬ 2 В МИН.ШИНА +2.5ВBЛОГИКА+2.5В ± 10%(+2.25 В МИН)ПОДТЯГИ- 1.6 кОмВАЮЩИЙРЕЗИСТОРШИНА +3.3ВЛОГИКА3.4 мВт ПРИ 50% +3.3В ± 10%СКВАЖНОСТИПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬШИНА +3.3ВШИНА +2.5ВCЛОГИКА+2.5В ± 10%(+2.25 В МИН)ЛОГИКА+3.3В ± 10%2 мВтРис.10.1216aЛитература по интерфейсам низкого напряжения1.P.
Alfke, Low-Voltage FPGAs Allow 3.3V/5V System Design,Electronic Design, p. 70-76, August 18, 1997.2.AA Alkaline Battery Discharge Characteristics, Duracell Inc.,Berkshire Corporate Park, Bethel, CT 06801, http://www.duracell.com3.Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC),Standard 8-5, October 1995.4.QS3384 Data Sheet, Integrated Device Technology (IDT), Inc.,2975 Stender Way, Santa Clara, CA 95054, http://www.idt.com5.Pericom Semiconductor Corporation, 2380 Bering Drive,San Jose, CA 95131, http://www.pericom.com6.74VCX164245 Data Sheet, Fairchild Semiconductor, 1997.http://www.fairchildsemi.com7.H. Johnson, M.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
