¿Cuál es la razón por la que la mayoría de los CI (por ejemplo, MCU) tienen múltiples pines de GND y VCC (A/D)?
Si es para aumentar el rendimiento de un CI, ¿cómo ayuda al rendimiento? ¿O es más fácil para el diseñador del CI conectar algunos pines externamente?
Algunas huellas de los CI tienen una conexión a tierra debajo del encapsulado, ¿cómo ayuda esto? ¿Mejoraría el rendimiento de un CI si dibujara una conexión a tierra debajo del encapsulado aunque no sea necesario?
Hay tres razones principales para requerir múltiples pines de alimentación y tierra.
Impedancia. Los chips pueden consumir mucha corriente. Los chips CMOS en particular (básicamente cualquier CI digital moderno) consumen cantidades enormes de corriente durante períodos muy cortos de tiempo en cada ciclo de reloj. Cualquier impedancia (en este caso resistencia o inductancia) en la conexión de suministro resultará en variaciones de voltaje o caída de voltaje en la red de distribución de energía del chip. Esto puede causar problemas con la operación confiable. Por eso se utilizan los condensadores de derivación; evitan que estas transitorios de conmutación afecten a otros componentes en la placa a través de los rieles de alimentación al proporcionar un camino de retorno para las corrientes de alta frecuencia muy cerca del chip. Los chips grandes realmente colocan condensadores de derivación directamente en el encapsulado. Si observas una CPU moderna, verás condensadores de derivación soldados alrededor del dado del chip y/o en la parte inferior si hay una abertura en el patillaje. El mejor lugar para colocarlos sería en el dado en sí, pero los condensadores ocupan mucha área de silicio y, por lo tanto, esto es demasiado costoso para ser factible en la mayoría de los casos. Se utilizan pines de alimentación analógicos separados para evitar que el ruido de conmutación de la parte digital del chip afecte la parte analógica del suministro a través de la impedancia del pin y/o el hilo de bajada. También se requieren múltiples pines de alimentación para chips que consumen cantidades muy grandes de corriente. Un microprocesador moderno puede consumir alrededor de 100 A a aproximadamente 1 voltio. La resistencia del cableado de suministro debe ser muy baja, de lo contrario se perderá una cantidad muy significativa en forma de calor. En algunos casos, la mitad de los cientos o miles de pines en el chip serán pines de alimentación y tierra para obtener una resistencia lo suficientemente baja en las trayectorias de alimentación y tierra.
Requisitos de múltiples voltajes. A veces, diferentes partes de un chip funcionarán a diferentes voltajes. Un ejemplo clásico es un núcleo de voltaje bajo y E/S de voltaje alto. El núcleo utiliza un voltaje más bajo para reducir el consumo de energía (el consumo de energía en CMOS es más o menos proporcional a la frecuencia y al cuadrado del voltaje, por lo que si puedes reducir el voltaje en un 30 por ciento, puedes obtener una reducción del 50 por ciento en la potencia) mientras que las E/S funcionan a un voltaje más alto para interactuar mejor con los circuitos externos. A veces, el voltaje del núcleo incluso es variable. Esto se realiza en una técnica de optimización de energía llamada escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). A medida que cambia la carga de software en el chip, comandará que la frecuencia y el voltaje cambien para ahorrar energía. Cuando se reduce la frecuencia, el voltaje también puede reducirse para lograr un ahorro de energía 'triple': una frecuencia más baja significa una potencia dinámica más baja (proporcional a la frecuencia), y un voltaje más bajo significa tanto una potencia estática (proporcional al voltaje) como una potencia dinámica más baja (proporcional al cuadrado del voltaje).
Requisitos de integridad de señal. En chips modernos, las señales en los pines pueden hacer transiciones muy rápidamente. La corriente requerida por estas transiciones requiere un camino de retorno a través de un pin de alimentación o tierra. Si este pin está lejos, termina creando un bucle inductivo bastante grande que no solo afecta al pin de alimentación/tierra y al pin de señal en cuestión, sino también a cualquier otro pin en el bucle debido al campo magnético. Esto resulta en diafonía donde una señal afecta a señales adyacentes. Los chips tienen que ser diseñados no solo con suficientes pines de alimentación y tierra para suministrar energía, sino también con pines en ubicaciones razonables para reducir la diafonía.
Xilinx creó un esquema de distribución de alimentación y tierra particular llamado chevron disperso. La idea es crear un patrón de pines de alimentación y tierra que coloquen los caminos de retorno lo más cerca posible de todos los pines de E/S, sin requerir un número irracional de pines de alimentación y tierra. La figura a continuación representa todos los pines de alimentación y tierra en un FPGA Virtex 4 en un paquete BGA con 1513 pines.
La alta concentración de pines Vccint y tierra en el centro suministra el voltaje al núcleo real del dado del FPGA. El FPGA puede consumir hasta 30 o 40 amperios a 1,2 voltios. La alta cantidad de pines es necesaria para proporcionar un camino de baja impedancia para el suministro de corriente elevada a la matriz lógica programable. Los pines Vccaux suministran energía a ciertos circuitos de soporte, incluida la interfaz JTAG. El patrón de pines Vcco y tierra suministran energía a los bancos de E/S. También proporcionan caminos de retorno para las señales de E/S reales. Cada pin de E/S está adyacente a al menos un pin de alimentación o tierra, minimizando la inductancia y, por lo tanto, la diafonía generada.
Algunos FPGAs también incorporan transceptores de alta velocidad que pueden ser tan rápidos como 28 gigabits por segundo. Los serializadores y deserializadores de alta velocidad son básicamente circuitos analógicos de muy alta velocidad (una vez que llegas a una velocidad lo suficientemente alta, nada es realmente digital) y por lo tanto necesitan suministros dedicados. Generalmente, estos se suministran con reguladores lineales separados para garantizar que esta circuitería sensible funcione correctamente y para garantizar que los muchos GHz de transitorios no afecten adversamente a nada más.
La razón de tener VCC y tierra analógica y digital separadas es para mantener los rieles limpios y separados. Las entradas analógicas son sensibles al ruido digital.
La razón de tener múltiples tierras externas puede ser por eficiencia en el cableado interno. A veces no es práctico rutear una tierra internamente en el chip. Otra razón es la disipación de calor. Se utilizan varios pines de tierra, incluidas las conexiones a tierra debajo del chip, para asegurar una mayor conductividad térmica a la PCB a la que está conectado el chip.
Tres razones vienen a la mente:
1) Echa un vistazo a este primer plano de las entrañas de un microcontrolador. 
Hay MUCHAS cosas sucediendo ahí dentro. Y cada parte de ese chip necesita energía. La energía que entra desde cualquier pin probablemente tenga que moverse alrededor de muchas cosas para llegar a cada parte del dispositivo. Múltiples líneas de alimentación le dan al dispositivo múltiples vías para extraer energía, lo que evita que el voltaje disminuya demasiado durante eventos de alta corriente.
2) A veces los diferentes pines de energía suministran periféricos específicos dentro del chip. Esto se hace cuando ciertos periféricos necesitan un suministro de voltaje lo más limpio posible para funcionar correctamente. Si los periféricos comparten la fuente de alimentación que el resto del chip utiliza, pueden verse afectados por ruido en la línea y caídas de voltaje. Un ejemplo es la alimentación analógica. Seguramente has notado que es típico ver un pin AVCC en los MCUs. Ese pin es un suministro dedicado solo para los periféricos analógicos en el chip. Realmente, esto es solo una extensión del punto #1 anterior.
3) No es raro que un MCU alimente su núcleo a un voltaje pero opere periféricos a otro. Por ejemplo, un chip ARM con el que trabajé recientemente usaba 1.8V para su núcleo. Sin embargo, los pines de salida digitales suministrarían 3.3V al ser impulsados en alto. Por lo tanto, el chip requería un suministro de 1.8V y un suministro separado de 3.3V.
Lo más importante que debes recordar es que todos esos pines de alimentación son absolutamente necesarios para conectar. No son opcionales, incluso al hacer trabajo de desarrollo.
Respecto al pad inferior en el chip, está ahí para un disipador de calor adicional. El diseñador del chip decidió que la carcasa y los pines del chip pueden no disipar suficiente calor lejos del silicio. Entonces, el pad adicional en la parte inferior actúa como un disipador de calor para ayudar a mantener la temperatura baja. Si se espera que la pieza necesite disipar mucho calor, querrías tener un gran cobre vertido para soldar ese pad.
También, dibujar mucha corriente puede ser poco práctico en un solo pin. Piense en la resistencia: esos cables son muy delgados y no pueden transportar mucha corriente.
Por lo tanto, un µC más complejo distribuye sus requerimientos de carga en muchos pines. Esta es también a menudo la razón por la cual los cables llevan dos o más líneas de alimentación, por ejemplo, Power-over-Ethernet.
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
