På sikt kommer alla att konstruera med tre- eller två- komma-någonting-kretsar. Men i väntan på det tvingas många blanda 3 och 5 volt på kretskortet. Till sin hjälp har de enkla logikkretsar som kan användas i 3/5- voltsgränssnittet.

Att konstruera kring trevoltskretsar blir allt vanligare. Redan idag använder mer än hälften av alla nystartade konstruktionsprojekt 3 V eller 3 V tillsammans med 5 V. Om något år kommer rena 3-voltskonstruktioner att vara vanligast, och på sikt kommer ännu lägre spänningar att användas.

Men övergången till lägre matningsspänningar är inte helt smärtfri. Länge kommer vi att få dras med en uppsjö olika spänningar. "3 volt" är ju sällan exakt 3 V, utan ofta 3,3, 2,9, 2,7 eller ibland till och med 3,45 V. Någon enhetlig standard, som det klassiska fem volt plus/minus tio procent, har ännu inte utkristalliserats.

Ett dilemma för konstruktören är att olika typer av kretsar har kommit olika långt på färden mot lägre spänningar.

Generellt sett brukar mikroprocessorerna vara först ut med lägre matning, på grund av sin höga effektförbrukning. Eftersom effekten ökar proportionerligt med klockfrekvensen så får man problem med snabba processorer. Samtidigt beror effektförbrukningen också på matningsspänningen i kvadrat, och därmed är lägre matning ett effektivt sätt att minska effektförbrukningen. En sänkning av spänningen från fem till tre volt minskar effektförbrukningen med 64 procent. Kommer man ned till 2,7 V sparar man ytterligare 19 procent.

Efter processorerna brukar kretsuppsättningen runt dem komma med lägre matning, exempelvis PCI-kretsar. Ännu ett tag senare brukar det dyka upp minnen, logikkretsar, PLD-kretsar, periferikretsar etcetera.

Detta gör att man ofta tvingas blanda matningsspänningar på kortet. För att klara det kan man använda logikkretsar.



Två allianser


Två olika företagsallianser har presenterat logikfamiljer som drivs med 3 V men som klarar 5 V på in- och utgångarna. Den ena familjen heter LVT och har tagits fram av Philips, Texas Instruments och Hitachi. Den andra, LCX, har Motorola, National Semiconductor och Toshiba specificerat, och den tillverkas numera också av SGS-Thomson.

Även om båda familjerna klarar 5 volt så finns de grundläggande olikheter. Till att börja med tillverkas LCX i strömsnål CMOS, medan LVT använder snabbare, men mera effekthungrig BiCMOS.

Denna fundamentala skillnad gör också att LCX är begränsad till att driva och sänka 24 mA, medan LVT kan driva 32 mA och sänka 64 mA. Å andra sidan drar LCX- kretsarna inte mer än 10 μA i viloläge.

Nyligen har dock Philips och Texas gjort även sin trevoltsmatade CMOS-familj LVC femvoltstolerant. Därigenom har man också lyckats få ner viloströmmen till 10 μA.

Under våren kommer Philips med en vidareutveckling av LVT-familjen. Den kallas ALVT, Advanced BiCMOS Low Voltage Technology och ska ge en tidsfördröjning på 1,5 ns.



Störningar


Förutom de nämnda gränssnittsproblemen får man även problem med störningar när spänningen sjunker. En krets som arbetar med två volt är givetvis mera känslig för störningar än en som jobbar vid fem. Därför har flera logikkretsar inbyggda funktioner för att dämpa elektromagnetisk strålning och filtrera bort spänningsstudsar vid från- och tillslag, så kallad "bounce".

På sikt kan vi vänta oss ännu lägre spänningar. Redan idag fungerar många av de nämnda kretsarna vid 2,5, 1,8 eller ibland till och med 1,2 V. Frågan är hur långt ned man kommer, eller kanske rättare sagt hur långt ned det är ekonomiskt att försöka komma.

Runt en volt tror en del att gränsen finns, för där ligger cellspänningen hos nickelkadmium- och nickelmetallhydridbatterier. Andra pratar visionärt om kretsar som drivs endast av kroppsvärmen eller värmen från omgivningen.

Mikael Zackrisson



Tre faktorer driver på


Övergången från 5 till 3 V drivs inte av samma faktorer som den tidigare övergången från 12 till 5 V.

Det kanske främsta skälet är de rent fysiska begränsningarna. Kretsar med kanallängder under 0,5 μm är svåra att driva med 5 V. Risken är stor för överslag mellan ledningar på chipset, vilket helt enkelt förstör chipset. Vid 0,35 μm krävs 3,3 V och när geometrierna kryper ned till 0,25 μm bör man inte mata kislet med mer än 2,5 V.

Expansionen av marknaderna för bärbar elektronik har gjort energisnålhet till en hett eftertraktad egenskap. Flaskhalsen sitter i batteriernas begränsade livslängd. Och eftersom batterier väger mycket är varje minuts extra drifttid per kilo batteri värdefull.

För stationär utrustning börjar processorerna slå i taket för vad som är fysiskt möjligt. Ett chips som är en eller ett par kvadratcentimeter stort och innehåller flera miljoner transistorer som alla klockas i två-trehundra megahertz, är termiskt sett bokstavligen en kokande gryta. Trots att till exempel Pentium Pro går på 3,3 V kan den dra upp emot 35 W.