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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik µC Versorgungsspannungen, warum diese Werte ?


Autor: Rhodius (Gast)
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Hallo,
die meisten µController (und Prozessoren) haben ja eine bzw. mehrere 
dieser Versorgungs- bzw. Arbeitsspannungen :

5 Volt
3,3 Volt
1,8 Volt
0,9 Volt

Aber warum ?(o.k. 5V noch aus der TTL Technik -wieso arbeitet die 
eigentlich mit 5 Volt ?-)

Besonders bei µController Anwendungen wären doch 1,3 bis 1,5V oder 12V 
viel angenehmere Werte da Spannungswandler entfallen würden und der 
Wirkungsgrad der Gesamtanwendung besser ausfällt.

Mit freundlichen Grüßen
             "Rhodius"

Autor: ......... (Gast)
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Diese Werte
5 Volt
3,3 Volt
1,8 Volt
kommen aus der Halbleiterphysik.

Und diese
1.3Volt
1.5Volt
kommen aus der Elechtrochemie.

Zwei unterschiedliche Bereiche mit ihren eigenen Erscheinungen und 
Gesetzmäßigkeiten.

Autor: Marek N. (bruderm)
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Moin,

ein möglicher Erklärungsversuch.

* 5 V ist klar, kommt noch aus TTL-Zeiten. 5 V hat man da gewählt, weil 
sich bei dieser Spannung Zener- und Avalanche-Effekt kompensieren und 
man so sehr temperaturstabile Spannungsregler bauen konnte.

* 3,3 V kam glaub ich auf mit der 90 nm-Technologie. Dort musste man 
wegen der verringerten Oxiddicke und somit kleineren 
Durchschlagsfestigkeit des Substrats die Spannung verringern.

* 1,8 bzw. 0,7 bis 0,9 V verwendet man überwiegend bei sehr schnell 
getakteten Prozessoren, da die die Verluste durch die Schalt- und 
Umladevorgänge mit dem Quadrat der Spannung zunehmen, aber nur linear 
mit der Frequenz.

Bitte weiter ergänzen/korrigieren.


Beste Grüße, Marek

Autor: Peter R. (pnu)
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Ein anderer Grund für die 5V bei TTL ist, dass die BE-Sperrschicht bei 
Standard-Transistoren die Durchbruchspannung bei etwa 6V hat(te).
Man musste wegen des Störabstandes möglichst hohe Spannung nehmen, mit 
genügend Abstand zu den 6V, also 5V (mit 10% Toleranz).

Generell möchte man Logik mit immer niedrigeren Spannungen betreiben, da 
dann das Umladen der C's in der Schaltung immer leichter wird.

Niedrigeren Schaltpunkt bei MOS-FET's ( und kleinere Kapazitäten) 
erreicht man aber nur über immer feinere Strukturen. (Oxiddicke und 
Größe der FET's)
Das erfordert aber immer dünnere Oxidschichten, die mit Fortschritt der 
Technologie schon in nm ausgedrückt wird und sich in der Schaltschwelle 
der FET's als Spannungswert äußert.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Rhodius (Gast)

>5 Volt
>3,3 Volt
>1,8 Volt
>0,9 Volt

Jo, wobei 0,9V im Moment noch recht exotisch sind.

>Aber warum ?

Warum nicht? Der Schritt 5->3,3V wurde wegen der verringerten 
Verlustleistung und kleineren IC Strukturen gemacht. Ein CMOS IC 
verbraucht nur Strom, wenn es schaltet.

P = U^2*C*f

Ein IC mit gleichen parasitären Kapazitäten bruacht bei 3,3V nur 43% der 
Leistung.

>(o.k. 5V noch aus der TTL Technik -wieso arbeitet die
>eigentlich mit 5 Volt ?-)

Ist ne runde Zahl ;-)

>Besonders bei µController Anwendungen wären doch 1,3 bis 1,5V oder 12V
>viel angenehmere Werte da Spannungswandler entfallen würden

Ach herje, die extrem teuren Pegelwandler bzw. Spannungsregler. ;-)
NEIN! Man will einen möglichst kleine Leistungsverbrauch und möglichst 
hohe Taktfrequenz, also braucht man dazu moderne, kleine 
Prozessgeometrien und damit kleine Spannungen. Die Pegelwandler braucht 
man ohnehin nur in bestimmten Fällen.

>und der Wirkungsgrad der Gesamtanwendung besser ausfällt.

Keine Sekunde. Siehe Versorgung aus einer Zelle.

@  Marek N. (bruderm)

>* 5 V ist klar, kommt noch aus TTL-Zeiten. 5 V hat man da gewählt, weil
>sich bei dieser Spannung Zener- und Avalanche-Effekt kompensieren und
>man so sehr temperaturstabile Spannungsregler bauen konnte.

Glaub ich nicht. Der Knackpunkt lag ja auf der Digitalseite, nicht beim 
Spannungsregler dafür.

>* 3,3 V kam glaub ich auf mit der 90 nm-Technologie.

Schon viel früher, bei 200nm++.

>* 1,8 bzw. 0,7 bis 0,9 V verwendet man überwiegend bei sehr schnell
>getakteten Prozessoren, da die die Verluste durch die Schalt- und
>Umladevorgänge mit dem Quadrat der Spannung zunehmen, aber nur linear
>mit der Frequenz.

Ja.

MfG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Peter R. (pnu)

>Ein anderer Grund für die 5V bei TTL ist, dass die BE-Sperrschicht bei
>Standard-Transistoren die Durchbruchspannung bei etwa 6V hat(te).

Komisch nur, dann in keinerlei Digital-IC eine BE-Strecke eine negative 
Spannung sieht ;-)

>Man musste wegen des Störabstandes möglichst hohe Spannung nehmen, mit
>genügend Abstand zu den 6V, also 5V (mit 10% Toleranz).

Jaja, jetzt ist mal wieder Rate-und Märchenstunde ;-)

Autor: ingo (Gast)
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> Komisch nur, dann in keinerlei Digital-IC eine BE-Strecke eine negative
> Spannung sieht ;-)

In der Ursprungs-TTL war der Eingang eines NAND ein Multiemitter-Transi, 
wenn ein Eingang (Emitter) und damit auch die Basis auf Lo war, ein 
anderer aber auf Hi, war genau diese Basis-Emitterstrecke in 
Sperrrichtung, mit fast 5V
mfG ingo

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