Рис. 10.5
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.
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.
Технология, которой следовали большинство производителей, заключается в создании отдельного интерфейса для входов и выходов, т. е. драйверы входов и выходов работают при напряжении питания 3.3 В, оставшаяся часть микросхемы — при напряжении 2.5 В, таким образом устройство может быть ТТЛ-совместимым и отвечать требованиям для порогов VOH и VOL. Внешнее питание 3.3 В требуется для того, чтобы ИС была устойчива к напряжению 3.3 В. Это приводит к дополнительному усложнению, связанному с наличием двух напряжений питания для чипа, но в перспективе дополнительное напряжение питания будет генерироваться в самой микросхеме.