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  • 功耗成为便携设备中逻辑器件的关键参数
    http://www.ic72.com 发布时间:2008/3/11 11:17:00

        世界越来越小
      
        移动通信产品正在经历一场革命。PDA、移动电话和消费音频产品之间的差异已不复存在,这些设备的所有功能都将纳入一种多用途设备中。连便携式电脑也面临着被集成到移动电话中的威胁,而成为具有电子邮件和基本视频会议功能的简化PC。不管集成或专门的程度如何,所有移动产品都有一个共同的目标:降低功耗。

        功耗的物理定律

        考虑方程P=V2/R

        其中P为功耗,V为工作电压,R为负载阻抗。
      
        降低功率可通过两种途径来实现,减小工作电压或增大负载阻抗。现在,大部分门电路的输入阻抗均在10~50MΩ的数量级范围内,因此,产生的电流也就在微安范围内。
      
        大部分电流都是在高低态相互转换的过程中消耗掉的。增加负载阻抗将使转换时间和传输延迟增加,这在时钟速度很高的2.5G和3G设计中是要绝对避免的。
      
        增加转换时间还会使输出极晶体管出现故障,这是因为在阈值电压点的两个晶体管将被接通,从而使电流消耗急剧增大。显然,无论对于信号传输延迟、功耗,还是对于器件的可靠性而言,增加阻抗均非解决之道。

          单电池供电的TinyLogic超低功率器件
      
        将电源电压由5V降至1.5V,功耗会降低10倍以上。
      
        要实现这种幅度的功率下降,可以通过采用更小尺度的加工工艺来实现,如由0.8μm降至0.5μm,再降至0.35μm,甚至更低。
      
        成倍降低工艺尺寸还可使设计人员降低集成电路的成本,基于0.5μm的设计比0.8μm设计尺寸更小,因而也更便宜。当晶片的尺寸减小时,晶片的功耗也会随之降低,根据方程:
      
        P=(Icc×Vcc)+(Cpd×2×Vcc×f)+(Cl×2×Vcc×f)
      
        其中P为晶片的功耗,Icc为电源电流,Vcc为电源电压,Cpd为有效内部电容,Cl为外部负载电容,f为工作频率。
      
        Vcc、Cl和f由电路设计决定,其中Cpd和晶片相关。通过将输出极的电容效应降至最低,减小开关功耗,就可以获得极低的Cpd值,从而得到超低功率的TinyLogic器件。
      
        降低工艺尺寸的另一个优势可提高器件的工作频率,并且不会由于热效应而影响晶片的可靠性。
      
        速度也是GPRS和UMTS等基于IP的下一代通信设计的关键因素。由于这些下一代通信技术要求更快的数据传输率,因而其内部时钟速率通常比GSM设计快10至100倍。
      
        SV(ULP-A)和SP(ULP)系列产品是为高速、低功耗的应用而设计的器件,在1.8V电压下,SV系列器件传输延迟的典型值突破了2ns瓶颈,达到了1.9ns。这些器件成为要求高速度和低功率器件的基带设备的首选配件。SV系列产品的工作电压可低至900mV,与所有电池技术标准和所有工艺的半导体元件相匹配。

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        低噪声模拟、数字及音频系统的理想配件
      
        SV(ULV-A)和SP(ULP)系列产品都在输出极集成了飞兆公司的GTO专利电路,降低了器件在高低态之间切换时的转换噪声。
      
        高速SV器件可直接与运行速率为50MHz的DSP和ASIC连接,而不会使时序明显增加。例如,芯片选择可在2ns内产生CS信号,这段时间完全在50MHz(20ns)时钟周期的设置和保持时间内。
      
        另一个例子是史密特触发器功能,这项功能通常用来在将时钟信号高低电平输入DSP或ASIC之前对其进行清理。SV(UPL-A)器件通常用于连接DSP及CODEC的存储器或MPEG芯片组等功能组件。出于产品需早日投放市场的压力,设计人员通常没有时间将所有的新功能集成到一个芯片组中,而生产一种混合信号射频、模拟、数字和音频ASIC也不经济。因此,这些门电路可广泛用于将PDA、移动电话或数字音频设计等时序处于至关重要地位的应用中,将模块连接起来。
      
        飞兆公司还开发出另一种超低功率类产品,即SP系列器件。这些器件在3.0V的电流驱动能力为2.6mA,传输延迟的典型值为6ns。通常用于紧凑设计设备,2.6mA驱动电流足以驱动短距离通信所需的信号。转换频率是另一个需要考虑的因素,如果频率较低,通常在兆赫范围内,那么SP系列器件即可适用。由图1可以看出SP和SV超低功率TinyLogic系列器件是如何实现比市场上现有的所有器件都低的功耗性能的。

        这些器件也可用于MMI(人机接口)等低功率、低电压的便携产品市场,但无需讲求高接入速度的应用。外设互连是SP系列器件另一个广为采用的领域。
      
        在这些应用领域,功能和信号完整性比传输延迟更为重要。时序关键信号通常可包含在ASIC内,因而设计人员能利用超低功率SP系列器件来实现与ASIC及外设电路的互连。

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        设计人员所需的附加特性
      
        SP和SV系列器件的过压冗余均为4.60V,如果设计需要实现降压转换,如由3.6V降至1.0V,这一特性将极其有效。譬如,以1.0V电压为NC7SV125P5供电,输入3.6V信号,实现1.0V输出。这种器件可完美地实现这项功能,不会产生任何至Vcc或接地端的漏流。

        高度灵活的开创性电压转换功能
      
        传统的TinyLogic系列产品由数字门电路、模拟开关和电压转换器构成。
      
        飞兆公司通过将电压转换纳入数字功能,重新定义了电压转换的法则。例如,如果信号需要由1.4V转换至3.6V,然后利用该信号来控制某个允许或失效装置,这至少需要两个门电路。现在,利用NC7SV126或NC7SP126器件,只要一个单独的器件就可以实现了。
      
        要使Vcc1为1.4V,次级电源Vcc应连接至3.6V,剩余的引脚按照正常的126缓存器设置。SV和SP系列的史密特触发器和反相器,均可实现电压转换功能。
      
        设计人员也可选择电压,Vcc1和Vcc可为900mV至3.60V之间的任意值,因此电压也可升可降。

        低压TinyLogic器件均具有高阻抗关闭功能
      
        SP和SV系列产品另一个特性是其关闭时的高阻抗,因此,当器件断电后,输入极和输出极之间没有任何连接。这是大部分便携设备最通常的要求。飞兆公司的所有低压TinyLogic系列器件均具有此项功能,但其他制造商并非都提供这项功能。

        超低功率系列产品的封装
      
        考虑到设计和制造的灵活性要求,飞兆公司提供SC70和MicroPak两种可选封装形式。SC70封装的引脚间距为0.65mm,便于制造及进行引脚检测和信号测量工作,二者的比较如图2所示。
      
        MicroPak封装比SC70封装小65%,与SC70封装0.9mm的高度相比,MicroPak封装的高度仅为0.55mm,是空间狭小应用的理想配件。
      
        低功率、高速度通信和娱乐产品的设计正向数字化方向发展,PDA、PC、视频和音频功能与电话服务集成的程度将根据消费者的需要而定。SV(ULP-A)和SP(ULP)系列低功率产品将对实现这些下一代通信设备起到巨大的推动作用。

     


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