Qué ocurre con los voltajes de funcionamiento: 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, etc.

Se han elegido a menudo nuevos voltajes para dar cierto grado de compatibilidad con lo que venía antes.

Los niveles de salida CMOS de 3V3 eran compatibles con entradas TTL de 5V, por ejemplo.

Se requiere un VDD inferior a medida que la geometría de la puerta se reduce. Esto evita daños al óxido de la puerta CMOS y minimiza las fugas. Cuando las fábricas cambiaron de 0.5um a 0.35um, las puertas más delgadas solo podían manejar potenciales de hasta 3.6V. Eso llevó a suministros a 3.3V +/- 10%. Con el cambio a 0.18um, el voltaje se redujo aún más a 1.8V +/- 10%. En los últimos procesos (por ejemplo, 45nm), las puertas están hechas de dieléctricos de alto k como el halfnium para reducir las fugas.

Es una combinación de varios factores:

• convenciones: es más fácil diseñar un sistema cuando los chips se suministran con el mismo voltaje. Aún más importante es que la tensión de alimentación determina los niveles de tensión de las salidas digitales CMOS y los umbrales de tensión de las entradas. El estándar para la comunicación de chip a chip solía ser de 5V, hoy en día es de 3.3V, aunque recientemente hubo una explosión de interfaces de comunicación en serie de oscilación de bajo voltaje. Se podría decir que aquí "la industria" decide la tensión de alimentación.
• Limitaciones del proceso de fabricación de CMOS: a medida que los transistores MOS se encogen, también lo hace el grosor del material de aislamiento de la compuerta y la longitud del canal. Como resultado, la tensión de alimentación debe reducirse para evitar problemas de fiabilidad o daños. Para mantener un voltaje de suministro "conveniente" en las interfaces de E / S (como 3.3V - ver más arriba), estas celdas se fabrican utilizando transistores diferentes (más grandes y más lentos) que el núcleo del chip. Aquí la "fab" (quien diseñó el proceso de fabricación allí) decide el voltaje.
• Consumo de energía: en cada generación de proceso, un chip puede alojar 2 veces más transistores, funcionando a una frecuencia x2 más alta (al menos eso fue cierto hasta hace poco): si no se hace nada que dé 2 * 2 = 4 veces más de consumo de energía por area de unidad. Para reducirlo, la tensión de alimentación está (o estaba) reduciéndose proporcionalmente a los tamaños de los transistores, lo que deja un aumento de 2x en el área de potencia / unidad. Aquí la voz del diseñador de chips es importante.

Recientemente, la imagen se volvió más complicada: la tensión de alimentación no puede reducirse fácilmente debido a la limitada ganancia intrínseca del transistor. Esta ganancia presenta una compensación (a una tensión de alimentación determinada) entre la resistencia "en" del canal del transistor, que limita la velocidad de conmutación, y la resistencia en "off" que causa una fuga de corriente a través de él. Es por eso que el voltaje de suministro del núcleo se estableció en alrededor de 1 V, lo que hace que la velocidad de los nuevos chips de IC digital crezca más lentamente y su consumo de energía crezca más rápido de lo que solía ser. Las cosas están empeorando si considera la variabilidad del proceso de fabricación: si no puede posicionar el voltaje de umbral de conmutación del transistor con la suficiente precisión (y a medida que los transistores se hacen más pequeños, se vuelve muy difícil) el margen entre las resistencias "on" / "off" desaparece. La variabilidad es un problema de ingeniería, por lo que, al menos en teoría, es solucionable, pero la ganancia limitada de transistores MOS es algo con lo que tenemos que vivir hasta que obtengamos mejores dispositivos.

Los voltajes parecen seguir un patrón:

• 3.3v = 2/3 de 5v
• 2.5v = 1/2 de 5v
• 1.8v = ~ 1/3 de 5v (1.7 estaría más cerca de 1/3, este parece ser el único bicho raro)
• 1.2v = 1/4 de 5v

" ¿Por qué los dispositivos más pequeños requieren voltajes más bajos ?" Los circuitos integrados más pequeños tienen menos superficie para deshacerse del calor. Cada vez que un bit se alterna en algún lugar de un IC, se debe cargar o descargar un capacitor (es decir, la capacitancia de la puerta de un transistor CMOS). Aunque los transistores en un IC digital suelen ser muy pequeños, hay muchos de ellos, por lo que el problema sigue siendo importante. La energía almacenada en un condensador es igual a 0.5 * C * U ^ 2. El doble del voltaje causará 2 ^ 2 = 4 veces la energía que se debe utilizar para cada compuerta del MOSFET. Por lo tanto, incluso un pequeño paso hacia abajo desde, digamos, 2.5V a 1.8V traerá una mejora considerable. Es por eso que los diseñadores de circuitos integrados no se limitaron a 5V durante décadas y esperaron hasta que la tecnología estuvo lista para usar 1.2V, sino que utilizaron todos los demás niveles de voltaje entretenidos.     

Respuesta corta: los geeks de TI lo dijeron, y todos los demás hicieron lo mismo al hacer productos compatibles o competidores.

Se eligieron 5 voltios para inmunidad al ruido . Los primeros chips eran acometidos de energía, lo que causaba una fluctuación en la fuente de alimentación cada vez que se cambiaba algo que los diseñadores intentaban superar poniendo un condensador en los pines de suministro de cada chip. Aun así, un espacio adicional de 2.4 voltios les proporcionó un colchón para evitar entrar en el área prohibida entre 0.8V y 2.2V. Además, los transistores causaron una caída de voltaje de ~ 0.4 V solo por su funcionamiento.

Los voltajes de suministro han estado disminuyendo para prolongar la vida útil de la batería, y debido a que los chips se han ido reduciendo para hacer que los dispositivos portátiles sean más pequeños y livianos. La separación más cercana de los componentes en el chip exige voltajes más bajos para evitar un calentamiento excesivo y porque el voltaje más alto podría atravesar el aislamiento más delgado.

El que hace un IC decide los voltajes que necesita.

En la antigüedad, alguien comenzó a usar 5V para la lógica digital y eso se atascó durante mucho tiempo, principalmente porque es mucho más difícil vender un chip que necesita 4V cuando todo el mundo está diseñando con muchos chips que funcionan con 5V.

iow: La razón por la que todo el mundo tiende a usar el mismo voltaje no es tanto una cuestión de que todos elijan el mismo proceso, sino que no quieren ser maldecidos por el uso de voltajes "inusuales" por parte de los diseñadores que usan sus fichas.

Cambiar una señal a una cierta velocidad requiere más energía si el voltaje es más alto, por lo que con velocidades más altas necesitas voltajes más bajos para mantener la corriente baja, es por eso que los circuitos modernos, más rápidos y densos, tienden a usar voltajes más bajos que los antiguos chips.

Muchos chips incluso usan 3.3V para E / S y un voltaje más bajo, como 1.8V para el núcleo interno.

Los diseñadores de chips saben que 1.8V es un voltaje impar y a menudo tienen un regulador interno para proporcionar el voltaje central para el chip en sí mismo, evitando que el diseñador tenga que generar el voltaje central.

Para ver un ejemplo de la situación de doble voltaje, observe el ENC28J60 que funciona con 3.3V, pero tiene un regulador interno de 2.5V.

Los voltajes son dictados por la física de los materiales (materiales semiconductores de todos modos) y los procesos utilizados en la fabricación del chip. (Espero que esté usando los términos correctos aquí ...) Los diferentes tipos de semiconductores tienen diferentes voltajes de separación, esencialmente el voltaje que los "activa". También pueden optimizar la estructura del chip para permitir que los voltajes más bajos funcionen de manera más confiable cuando hacen diseños (creo).

No es tanto que los dispositivos más pequeños requieran voltajes más bajos, es que los han diseñado para que usen voltajes más pequeños porque menos voltaje significa menos disipación de calor y una operación potencialmente más rápida. Es más fácil tener una señal de reloj de 10MHz si solo tiene que ir entre 0V y 1.8V.