動作電圧とは：5V、3.3V、2.5V、1.8Vなど

集積回路の標準電圧は5V、3.3V、2.5Vのようです。1.8V ...

• 誰がこれらの電圧を決めるのですか？
• 小型のデバイスに必要な電圧が低いのはなぜですか？

多くの場合、新しい電圧は、以前の電圧とある程度の互換性を持たせるために選択されています。

たとえば、3V3 CMOS出力レベルは5V TTL入力と互換性がありました。

ゲートのジオメトリが小さくなると、より低いVDDが必要になります。これにより、CMOSゲート酸化膜の損傷を防ぎ、漏れを最小限に抑えます。ファブが0.5umから0.35umに切り替わったとき、より薄いゲートは最大3.6Vの電位しか処理できませんでした。これにより、3.3V +/- 10％の電源が供給されました。スイッチを0.18umにすると、電圧は1.8V +/- 10％にさらに低下しました。最新のプロセス（45 nmなど）では、リークを減らすために、ゲートはハーフニウムなどのhigh-k誘電体で作られています。

それはいくつかの要因の組み合わせです：

• 規則-チップに同じ電圧が供給されると、システムを設計するのが簡単になります。さらに重要なのは、供給電圧がCMOSデジタル出力の電圧レベルと入力の電圧しきい値を決定することです。チップ間通信の標準は5Vでし​​たが、最近では3.3Vですが、最近では低電圧スイングシリアル通信インターフェイスが爆発的に増加しました。ここで、「業界」が供給電圧を決定すると言うことができます。
• CMOS製造プロセスの制限-MOSトランジスタが縮小すると、ゲート絶縁材料の厚さとチャネル長も縮小します。その結果、信頼性の問題や損傷を避けるために、供給電圧を下げる必要があります。I / Oインターフェース（上記の3.3Vなど）で「便利な」供給電圧を維持するために、これらのセルはチップのコアとは異なる（より大きく、より遅い）トランジスタを使用して作られています。ここで、「ファブ」（製造プロセスを設計した人）が電圧を決定します。
• 電力消費-各プロセス世代で、チップは2倍の周波数で動作するトランジスタを2倍以上収容できます（少なくとも最近まではそうでした）-何もしなければ、単位面積あたりの消費電力が2 * 2 = 4倍になります。これを減らすために、供給電圧はトランジスタサイズに比例して縮小（または縮小）され、電力/単位面積が2倍になります。ここでは、チップ設計者の声が重要です。

最近、状況はより複雑になりました。固有のトランジスタゲインが制限されているため、電源電圧を簡単に縮小できません。このゲインは、スイッチング速度を制限するトランジスタチャネルの「オン」抵抗と、電流の漏れを引き起こす「オフ」抵抗とのトレードオフを示します（所定の供給電圧で）。そのため、コアの供給電圧が約1Vに落ち着いたため、新しいデジタルICチップの速度はよりゆっくりと成長し、消費電力は以前よりも速く成長しました。製造プロセスのばらつきを考慮すると事態は悪化しています-トランジスタのスイッチングしきい値電圧を十分に正確に配置できない場合（およびトランジスタが小さくなるにつれて非常に困難になります）、「オン」/「オフ」抵抗間のマージンがなくなります。

電圧はパターンに従って表示されます：

• 3.3v = 5vの2/3
• 2.5v = 5vの1/2
• 1.8v = 5vの約1/3（1.7は1/3に近く、これが唯一の奇妙なボールのようです）
• 1.2v = 5vの1/4

「なぜ小型のデバイスには低い電圧が必要なのですか？」小さいICは、熱を取り除くための表面積が小さくなります。ICのどこかでビットがトグルするたびに、コンデンサを充電または放電する必要があります（つまり、CMOSトランジスタのゲート容量）。通常、デジタルICのトランスアイソレータは非常に小さいですが、非常に多くありますので、問題は依然として重要です。コンデンサに保存されるエネルギーは0.5 * C * U ^ 2です。電圧が2倍になると、すべてのMOSFETのゲートに使用する必要があるエネルギーの2 ^ 2 = 4倍になります。したがって、たとえば2.5Vから1.8Vにわずかに下がっても、考慮すべき改善がもたらされます。そのため、IC設計者は何十年も5Vに固執せず、テクノロジーが1.2Vを使用する準備が整うまで待っていなかったが、その間に他のすべての面白い電圧レベルを使用していました。

簡単な答え：TIのオタクはそう言いました。そして、他の誰もが、互換性のある製品や競合する製品を作ることでそれに追随しました。

ノイズ耐性のために5ボルトが選択されました。初期のチップは電源を大量に消費するものであり、何かが切り替わるたびに電源にリップルが発生し、設計者はすべてのチップの電源ピンにコンデンサを配置して克服しようとしました。それでも、2.4ボルトのヘッドルームを追加することで、0.8Vから2.2Vの間の禁止区域に入らないようにしました。また、トランジスタは、動作だけで約0.4 Vの電圧降下を引き起こしました。

バッテリーの寿命を延ばすために電源電圧が低下しています。これは、ポータブルデバイスを小型軽量にするためにチップダイが縮小しているためです。チップ上のコンポーネントの間隔が狭くなると、過剰な加熱を防ぐために低い電圧が必要になり、高い電圧は薄い絶縁体を通過する可能性があるためです。

ICを作成する人は、必要な電圧を決定します。

昔は、誰もがデジタルロジックに5Vを使い始めましたが、それは主に、誰もが5Vで動作する多くのチップで設計しているときに4Vを必要とするチップを販売するのがはるかに難しいためです。

iow：誰もが同じ電圧を使用する傾向があるのは、チップを使用する設計者が「異常な」電圧を使用するために呪われたくないので、全員が同じプロセスを選択する問題ではありません。

電圧が高い場合、特定の速度で信号を切り替えるとより多くの電力が必要になるため、高速では電流を抑えるために低い電圧が必要です。そのため、高速で密度の高い最新の回路は古いチップよりも低い電圧を使用する傾向があります。

多くのチップは、I / Oに3.3Vを使用し、内部コアに1.8Vなどの低電圧を使用します。

チップ設計者は、1.8Vが奇数電圧であり、多くの場合、チップ自体にコア電圧を供給する内部レギュレータを備えているため、コア電圧を生成する必要がなくなります。

デュアル電圧の状況の例については、3.3Vで動作するが内部に2.5Vレギュレーターを備えたENC28J60を見てください。

電圧は、材料（とにかく半導体材料）の物理的性質と、チップの製造に使用されるプロセスによって決まります。（ここで正しい用語を使用していることを望みます...）半導体の種類が異なれば、ギャップ電圧も異なります-基本的には、それらを「活性化する」電圧です。また、チップの構造を最適化して、レイアウト時に低電圧をより確実に機能させることができます（私は信じています）。

小さいデバイスは低い電圧を必要とするほど多くはありません。電圧が低いと熱放散が少なくなり、動作が高速になる可能性があるため、より小さい電圧を使用するように設計されています。0Vから1.8Vの間で動作する必要がある場合、10MHzのクロック信号を使用する方が簡単です。