Страница 289 из 436
УСТОЙЧИВОСТЬ К ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Устройство, устойчивое к повышенному напряжению, может выдержать на входе или выходе напряжение более высокое, чем его собственное напряжение питания VDD. Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В, может выдержать на входе напряжение в 3.3 В и может выдержать 3.3 В на выходе, 2.5 В устройство является устойчивым к напряжению 3.3 В. Значение понятия "устойчивость к напряжению на входе" достаточно очевидно, но понятие "устойчивости к напряжению на выходе" требует некоторого объяснения. Выход драйвера микросхемы КМОП с VDD = 2.5 В в состоянии высокого логического уровня представляет собой резистор с небольшим сопротивлением (Ron транзистора PMOS), связанный с шиной питания VDD 2.5 В. Очевидно, что связь его выхода напрямую с шиной 3.3 В приведет к разрушению устройства избыточным током. Однако если 2.5-вольтовая микросхема имеет выход с тремя состояниями и подключена к шине, которая одновременно управляется 3.3-вольтовыми микросхемами, тогда это понятие становится ясным. Даже если 2.5-вольтовая ИС находится в выключенном состоянии (третье состояние), 3.3-вольтовые микросхемы могут подавать на шину напряжение, превышающее 2.5 В, и возможно, повреждать выход 2.5-вольтовой микросхемы.
Устройство, совместимое по напряжению, может принять сигнал и передать сигнал устройству, которое работает при напряжении более высоком, чем его собственное VDD. Например, если устройство работает при VDD = 2.5 В и может передавать и получать сигналы к/от 3.3-вольтового устройства, тогда говорят, что данное 2.5-вольтовое устройство совместимо по напряжению с 3.3-вольтовыми.
Интерфейс между микросхемой КМОП с напряжением питания 5 В и микросхемой LVTTL с напряжением питания 3.3 В — это случай, когда устойчивость к повышенному напряжению отсутствует; вход микросхемы LVTTL перегружен выходным сигналом КМОП микросхемы с напряжением питания VDD = 5 В. Интерфейс между микросхемами 2.5-вольтовой JEDEC и 5-вольтовой КМОП иллюстрирует случай отсутствия совместимости по напряжению; выходной сигнал высокого уровня на выходе ИС JEDEC не соответствует требованиям к уровню входного сигнала 5-вольтовой КМОП-микросхемы.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОНЯТИЙ УСТОЙЧИВОСТИ К ПОВЫШЕННОМУ НАПРЯЖЕНИЮ И СОВМЕСТИМОСТИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ
• Устойчивость к повышенному напряжению:
♦ Микросхема, устойчивая к повышенному напряжению, может выдержать на своих входных и выходных выводах напряжение более высокое, чем ее собственное напряжение питания VDD. Если ИС работает при VDD = 2.5 В и может выдержать напряжение 3.3 В±10 % на входе, то эта 2.5-вольтовая микросхема является устойчивой к напряжению 3.3 В на входе. Устойчивость на входе и на выходе должна тестироваться и оговариваться в спецификации отдельно.
• Совместимость по напряжению:
♦ Микросхема, совместимая по напряжению, может передавать и принимать сигналы к/от логики, которая работает при напряжении более высоком, чем ее собственное напряжение питания VDD. Если устройство работает при VDD = 2.5 В и может нормально передавать и принимать сигналы к/от 3.3-вольтовой логики, то данная 2.5-вольтовая микросхема является совместимой с логикой, работающей при напряжении питания 3.3 В. Совместимость по входу и по выходу должна тестироваться и оговариваться в спецификации отдельно.
Рис. 10.5
СОЕДИНЕНИЕ 5-ВОЛЬТОВОЙ И 3.3-ВОЛЬТОВОЙ ЛОГИКИ С ПОМОЩЬЮ ШИННЫХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
При соединении между собой микросхем, работающих при разных напряжениях питания, часто возникает необходимость в дополнительных дискретных компонентах для того, чтобы обеспечить устойчивость к повышенному напряжению и совместимость по напряжению. Например, для того, чтобы получить устойчивость к напряжению между логическими микросхемами, работающими при VDD равном 5 В и 3.3 В, используется шинный переключатель-преобразователь напряжения, или QuickSwitch™ (Приложение 4,5). Данный шинный переключатель ограничивает напряжение, прикладываемое к ИС. Это делается для того, чтобы входное напряжение не превысило допустимое, к которому получающее устройство устойчиво.
Например, можно поместить шинный переключатель между 5-вольтовой КМОП-логикой и 3.3-вольтовой LVTTL-логикой, и после этого устройства смогут нормально обмениваться данными, как показано на рис. 10.6. Этот шинный переключатель представляет собой МОП-транзистор с каналом n-типа (NMOS FET). Если на затвор транзистора подано напряжение 4.3 В, то максимальная величина напряжения проходящего сигнала составит 3.3 В (примерно на 1 В меньше, чем напряжение на затворе МОП-транзистора). Если напряжение на входе и на выходе не превышает 3.3 В, МОП-транзистор представляет собой небольшое сопротивление (RON = 5 Ом). Когда входной сигнал достигает величины 3.3 В, сопротивление МОП-транзистора возрастает, ограничивая таким образом уровень сигнала на выходе. QuickSwitch содержит 10 двунаправленных МОП-транзистора с возможностью управлять напряжением на затворе, как показано на рис. 10.6. Напряжение VCC QuickSwitch определяет уровень сигнала, управляющего затвором.
Один из путей получения напряжения питания 4.3 В на системной плате, где имеются 5 В и 3.3 В, является включение диода между шиной питания 5 В и выводом VCC на QuickSwitch. На схеме на рис. 10.6 напряжение 4.3 В генерируется кремниевым диодом и диодом Шотки, соединенными последовательно и подключенными к шине питания 3.3 В. Этот метод позволяет получить более стабильное напряжение смещения на затворе с учетом допустимости 10 % разброса напряжений питания 5 В и 3.3 В. Некоторые шинные переключатели спроектированы для подключения непосредственно либо к шине 3.3 В, либо к 5 В, и напряжение смещения на затворе генерируется внутри данных ИС.
Применение QuickSwitch избавляет от беспокойства по поводу устойчивости микросхем при проектировании устройств с разными типами логики. Одним из полезных свойств шинных переключателей является их двунаправленность; это позволяет проектировщику поместить шинный преобразователь между двумя ИС и обойтись без дополнительной обвязки для входных и выходных сигналов.
Шинный переключатель увеличивает суммарную рассеиваемую мощность, а также общую площадь, занимаемую компонентами системы. Т. к. шинные преобразователи напряжения обычно являются КМОП-схемами, они имеют очень низкое значение потребляемой мощности. Величина рассеиваемой мощности, усредненная за продолжительный период, составляет 5 мВт на один корпус (10 переключателей), и она не зависит от частоты сигналов, проходящих через схему. Шинные переключатели обычно имеют 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 задержки распространения сигнала. Это может привести к появлению множества связанных со временем проблем при проектировании. QuickSwitch обладает очень маленьким временем задержки распространения сигнала (менее 0.25 нc), как показано на рис. 10.7.
УСТОЙЧИВОСТЬ И СОВМЕСТИМОСТЬ ПО НАПРЯЖЕНИЮ, ОБЕСПЕЧИВАЕМАЯ СРЕДСТВАМИ САМОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Требования по низкой потребляемой мощности и хорошей производительности ИС привели к тому, что производители соревнуются между собой в проектировании микросхем, 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 логическое ядро может работать при пониженном напряжении, тогда как выходной драйвер работает при стандартном напряжении питания, например, 3.3 В.