Raison de plusieurs GND et VCC sur un CI

Quelle est la raison pour laquelle la plupart des circuits intégrés (par exemple, MCU) ont plusieurs broches (A / D) GND et (A) VCC?

S'il s'agit d'améliorer les performances d'un CI, en quoi cela contribue-t-il à la performance? ou est-il plus facile pour le concepteur de circuits intégrés de connecter certaines broches à l’extérieur?

certaines empreintes de pas de circuits intégrés ont une connexion GND dans le boîtier, comment cela peut-il aider? Est-ce que cela améliorerait les performances d'un CI si je dessinais un GND dans le cas même si cela n'était pas nécessaire?

Trois raisons me viennent à l’esprit:

1) Jetez un coup d’œil à ce plan rapproché des entrailles d’un microcontrôleur.

Il y a BEAUCOUP de choses là-dedans. Et chaque partie de cette matrice a besoin de pouvoir. L’alimentation provenant d’une broche quelconque devra probablement passer par beaucoup de choses pour accéder à toutes les parties de l’appareil. Les lignes électriques multiples donnent à l'appareil de multiples sources d'alimentation, ce qui empêche la tension de chuter autant lors d'événements à forte intensité.

2) Parfois, les différentes broches d'alimentation fournissent des périphériques spécifiques dans la puce. Ceci est fait lorsque certains périphériques ont besoin d'une alimentation en tension aussi propre que possible pour fonctionner correctement. Si les périphériques partagent l'alimentation utilisée par le reste de la puce, celle-ci peut être soumise à des parasites sur la ligne et à des creux de tension. Un exemple est l'alimentation analogique. Vous avez remarqué qu'il est typique de voir une broche AVCC sur les MCU. Cette broche est une alimentation dédiée uniquement aux périphériques analogiques de la puce. Vraiment, ceci est juste une extension de # 1 ci-dessus.

3) Il n'est pas rare qu'un MCU alimente son cœur à une tension donnée mais exploite des périphériques à une autre. Par exemple, une puce ARM avec laquelle j'ai travaillé a récemment utilisé 1,8 V pour son noyau. Cependant, les broches de sortie numérique fourniraient 3,3 V si elles sont pilotées haut. Par conséquent, la puce nécessitait une alimentation de 1,8 V et une alimentation distincte de 3,3 V.

La principale chose à retenir est que toutes ces broches d’alimentation sont absolument nécessaires pour la connexion . Ils ne sont pas facultatifs, même lors de travaux de développement.

Quant au plot inférieur de la puce, il est là pour dissiper davantage de chaleur. Le concepteur de la puce a décidé que le boîtier et les broches de la puce pourraient ne pas absorber suffisamment de chaleur du silicium. Ainsi, le coussin supplémentaire au bas agit comme un dissipateur thermique pour aider à maintenir la température basse. Si on s'attend à ce que la pièce ait besoin de dissiper beaucoup de chaleur, il est préférable de verser une grande quantité de cuivre pour souder cette plaquette.

Il y a trois raisons principales pour exiger plusieurs broches d'alimentation et de terre.

1. Impédance. Les puces peuvent tirer beaucoup de courant. Les puces CMOS en particulier (essentiellement tout circuit intégré numérique moderne) tirent d’énormes quantités de courant pendant de très courtes périodes de temps sur chaque cycle d’horloge. Toute impédance (dans ce cas, la résistance ou l'inductance) de la connexion d'alimentation entraînera des variations de tension ou une chute de tension dans le réseau de distribution d'alimentation de la puce. Cela peut causer des problèmes de fonctionnement fiable. C'est aussi pourquoi les condensateurs de dérivation sont utilisés; ils évitent que ces transitoires de commutation n'affectent les autres composants de la carte via les rails d'alimentation en fournissant un chemin de retour pour les courants haute fréquence très proches de la puce. Les grosses puces placent en réalité des condensateurs de dérivation directement sur l'emballage. Si vous regardez un processeur moderne, vous pouvez voir des condensateurs de dérivation soudés à l'emballage autour de la puce et / ou sur le fond s'il y a un trou dans le brochage. Le meilleur endroit pour les mettre en place serait la matrice elle-même, mais les condensateurs occupent beaucoup de surface de silicium et sont donc trop coûteux pour être réalisables dans la plupart des cas. Des broches d'alimentation analogiques séparées sont utilisées pour éviter que le bruit de commutation provenant de la partie numérique de la puce n'affecte la partie analogique de l'alimentation via l'impédance de la broche et / ou du fil de liaison. Des broches d’alimentation multiples sont également requises pour les puces consommant de très grandes quantités de courant. Un microprocesseur moderne peut consommer environ 100 A à environ 1 volt. La résistance du câblage d'alimentation doit être très faible, sinon une quantité très importante de chaleur perdue.

2. Exigences de tension multiples. Parfois, différentes parties d'une puce fonctionneront à des tensions différentes. Un exemple classique est un noyau basse tension et une entrée / sortie haute tension. Le cœur utilise une tension plus basse pour réduire la consommation d'énergie (la consommation d'énergie dans CMOS est plus ou moins proportionnelle à la fréquence et au carré de la tension, donc si vous pouvez réduire la tension de 30%, vous pouvez obtenir une réduction de 50% de la puissance). tandis que les E / S fonctionnent à une tension plus élevée afin de mieux interagir avec les circuits externes. Parfois, la tension de base est même variable. Ceci est effectué dans une technique d'optimisation de la puissance appelée mise à l'échelle dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS). À mesure que la charge du logiciel sur la puce change, la commande de la fréquence et de la tension sera modifiée pour économiser de l'énergie. Lorsque la fréquence est abaissée, la tension peut également être abaissée pour obtenir un '

3. Exigences d'intégrité du signal. Dans les puces modernes, les signaux sur les broches peuvent changer très rapidement. Le courant requis par ces transitions nécessite un chemin de retour via une broche d'alimentation ou une broche de terre. Si cette broche est éloignée, elle crée une boucle inductive assez grande qui affecte non seulement la broche d'alimentation / de terre et la broche de signal en question, mais également toutes les autres broches de la boucle en raison du champ magnétique. Il en résulte une diaphonie où un signal affecte les signaux adjacents. Les puces doivent être conçues non seulement avec un nombre suffisant de broches d'alimentation et de mise à la terre pour être alimentées, mais également avec des broches situées à des emplacements raisonnables pour réduire la diaphonie.

Xilinx a créé un schéma de brochage de puissance et de masse particulier appelé chevron clairsemé. L'idée est de créer une bande de broches d'alimentation et de masse qui placent les chemins de retour aussi près que possible de toutes les broches d'E / S, sans nécessiter un nombre insensé de broches d'alimentation et de masse. La figure ci-dessous représente toutes les broches d'alimentation et de terre d'un FPGA Virtex 4 dans un boîtier BGA à 1513 broches.

La concentration élevée de Vccint et de broches de masse au centre fournit la tension de base à la puce FPGA réelle. Le FPGA peut tirer jusqu’à 30 ou 40 ampères à 1,2 volt. Le nombre élevé de broches est nécessaire pour fournir un chemin à basse impédance pour l'alimentation en courant élevé au réseau logique programmable. Les broches Vccaux alimentent certains circuits, notamment l’interface JTAG. Le modèle de Vcco et les broches de terre alimentent les banques d’E / S. Ils fournissent également des chemins de retour pour les signaux d'E / S réels. Chaque broche d’entrée / sortie est adjacente à au moins une broche d’alimentation ou de masse, ce qui minimise l’inductance et donc la diaphonie générée.

Certains FPGA intègrent également des émetteurs-récepteurs à haute vitesse pouvant atteindre 28 gigabits par seconde. Les sérialiseurs et les désérialiseurs haute vitesse sont fondamentalement des circuits analogiques à très grande vitesse (vous obtenez une vitesse suffisamment élevée, plus rien n’est vraiment numérique) et ils ont donc besoin de fournitures dédiées. Généralement, ceux-ci sont fournis avec des régulateurs linéaires distincts pour assurer le bon fonctionnement de ce circuit sensible et pour éviter que les nombreux transitoires d’une valeur de GHz n’affectent défavorablement la moindre autre chose.

La raison de la séparation séparée entre VCC analogique et numérique et masse est de maintenir les rails propres. Les entrées analogiques sont sensibles au bruit numérique.

La cause de multiples motifs externes peut être due à l'efficacité du câblage interne. Parfois, il n’est pas pratique d’acheminer un terrain en interne sur la plaquette IC. Mais une autre raison est la dissipation de chaleur. Plusieurs broches de terre, y compris les connexions GND sous le boîtier, sont utilisées pour assurer une conductivité thermique accrue à la carte de circuit imprimé à laquelle le CI est connecté.

De plus, tirer beaucoup de courant peut ne pas être pratique sur une seule broche. Pensez à la résistance: ces fils sont très fins et ne peuvent pas supporter beaucoup de courant.

Ainsi, un µC plus complexe répartit ses besoins en charge sur de nombreuses broches. C’est aussi souvent la raison pour laquelle les câbles acheminent deux lignes alimentées ou plus, par exemple Power-over-Ethernet.