1.1. Лекция. От нуля до единицы 1План игр 2Искусство управления сложностью
 Скачать 2.34 Mb.
|
|
Глава 1 От нуля до единицы 99 1.7.7 Передаточный логический вентиль Иногда разработчику необходим идеальный переключатель, который может одинаково хорошо передавать как 0, так и 1. Вспомним, что n-МОП- транзисторы хорошо передают 0, а p-МОП-транзисторы хорошо передают 1, и параллельное соединение этих двух транзисторов должно хорошо передавать оба этих значения. На Рис. 1.38 показана такая цепь, называемая передаточным логическим элементом (transmission gate), проходным логическим вентилем (pass gate) или аналоговым ключом. Выводы этого элемента обозначаются A и B, поскольку передача сигнала в таком логическом вентиле может идти в двух направлениях, и ни одно из этих направлений не является предпочтительным. Сигналы управления (в англоязычной литературе называемые enables), обозначаются EN и EN . Если EN равен 0, а EN равен 1, то оба транзистора выключены. При этом, весь передаточный логический вентиль выключен, и контакт A не имеет связи с контактом B. Если же EN равен 1, а EN равен 0, то передаточный логический вентиль включен, и любое логическое значение передается от A к B. Рис. 1.38 Передаточный вентиль Глава 1 От нуля до единицы 100 1.7.8 Псевдо n-МОП-Логика Построенный по технологии КМОП логический вентиль ИЛИ-НЕ, у которого число входных контактов равно N, использует N параллельно включенных n-МОП-транзисторов и N последовательно включенных p-МОП-транзисторов. Последовательно включенные транзисторы передают сигнал медленнее, чем транзисторы, включенные параллельно, аналогично тому, как сопротивление резисторов, включенных последовательно, будет больше, чем сопротивление резисторов, включенных параллельно. Кроме того, p-МОП-транзисторы передают сигналы медленнее, чем n-МОП-транзисторы, поскольку дырки не могут перемещаться по кристаллической решетке кремния так же быстро, как электроны. В результате, соединенные параллельно n-МОП-транзисторы работают быстро, а соединенные последовательно p-МОП-транзисторы работают медленно, особенно если их много. Рис. 1.39 Обобщенный псевдо n-МОП-вентиль Глава 1 От нуля до единицы 101 Как показано на Рис. 1.39 , при использовании псевдо n-МОП-логики (pseudo-nMOS logic), или просто псевдо-логики, медленный стек из p-МОП-транзисторов заменяют одним «слабым» p-МОП-транзистором, который всегда находится во включенном состоянии. Такой транзистор часто называют слабым подтягивающим транзистором (weak pull-up). Физические параметры p-МОП-транзистора подбираются таким образом, что этот транзистор до высокого логического уровня (1) выход Y «подтягивает слабо» – то есть только в том случае, когда все n-МОП-транзисторы выключены. Но если при этом хотя бы один из n-МОП-транзисторов включается, то он, превосходя по мощности слабый подтягивающий транзистор, «перетягивает» выход Y настолько близко к напряжению земли GND, что на выходе получается логический 0. Преимущество псевдо-логики заключается в том, что такую логику можно использовать для создания быстрых ИЛИ-НЕ вентилей с большим количеством входов. Например, на Рис. 1.40 показан вентиль ИЛИ-НЕ с четырьмя входами, построенный с использованием псевдо-логики. Логические вентили, использующие псевдо-логику, могут быть очень полезны для построения некоторых видов памяти и логических массивов, описанных в Главе 5. Недостаток псевдо-логики – наличие короткого замыкания между питанием V DD и землей GND, когда сигнал Глава 1 От нуля до единицы 102 на выходе – это логический нуль (0). Слабые p-МОП- и n-МОП-транзисторы выключены. При этом, через короткое замыкание постоянно протекает ток, и электрическая энергия от источника питания расходуется впустую. Именно по этой причине псевдо-n-МОП-логика используется ограниченно. Рис. 1.40 Псевдо n-МОП-вентиль ИЛИ-НЕ с четырьмя входами Термин «псевдо-n-МОП-логика» родился в 70-тые годы прошлого века. Тогда существовал производственный процесс для изготовления только n-МОП-транзисторов. В то время слабые n-МОП-транзисторы использовались для «подтягивания» выходного сигнала до логической единицы (1), поскольку p-МОП-транзисторов просто не было. Глава 1 От нуля до единицы 103 1.8 ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ Потребляемая мощность – это количество энергии, потребляемой системой в единицу времени. Энергопотребление имеет большое значение в цифровых системах. Именно потребляемая мощность определяет время автономной работы без подзарядки батареи любого портативного устройства, такого как сотовый телефон или ноутбук. Не стоит думать, однако, что потребляемая мощность – второстепенный параметр для стационарных устройств. Электричество стоит денег, и к тому же любое устройство может перегреться, если оно потребляет слишком много электроэнергии. Цифровая система потребляет энергию как в динамическом режиме, когда выполняет какие-либо операции, так и в статическом, когда система находится в состоянии покоя (idle). В динамическом режиме энергия расходуется на зарядку емкостей элементов системы, когда эти элементы переключаются между 0 и 1. И хотя в статическом режиме никаких переключений не происходит, система все равно расходует электрическую энергию. И сами логические вентили, и проводники, соединяющие эти вентили друг с другом, являются конденсаторами и обладают определенной емкостью. Энергия, получаемая от блока питания, которую необходимо затратить на зарядку емкости C до напряжения V DD, равна C×V DD 2 . Если Глава 1 От нуля до единицы 104 напряжение на конденсаторе переключается с частотой f (т.е. f раз в секунду), то конденсатор заряжается f/2 раза и разряжается f/2 раза в секунду. И, поскольку в процессе разрядки конденсатор не потребляет энергию от источника питания, то получается, что потребление энергии в динамическом режиме можно рассчитать как: P dynamic = 12CV DD 2 f (1.4) Утечка тока в системе происходит, даже если система находится в состоянии покоя. У некоторых типов электронных схем, таких как псевдо n-МОП-логика, рассмотренная в разделе 1.7.8 , существует путь, соединяющий напряжение питания V DD с землей GND, через который ток протекает постоянно. Суммарная величина тока, протекающего в системе в ее статическом состоянии I DD, называется током утечки (leakage current) или током покоя (quiescent supply current). Мощность, потребляемая системой в статическом состоянии, пропорциональна величине тока утечки и может быть рассчитана как: P static = I DD V DD (1.5) Глава 1 От нуля до единицы 105 Пример 1.23 ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ Сотовый телефон некоторой модели имеет аккумулятор емкостью 6 Ватт-часов и работает от напряжения 1,2 вольта. Предположим, что во время использования телефон работает на частоте 300 МГц и средняя емкость цифровой схемы телефона в любой конкретный момент составляет 10 нФ (10 -8 Фарады). При работе телефон также выдает сигнал мощностью 3 Вт на антенну. Когда телефон не используется, динамическая потребляемая мощность падает практически до нуля, так как обработка сигналов отключена. Но телефон также потребляет 40 мА тока покоя в любом случае, работает он или нет. Рассчитайте время, на которое хватит аккумулятора телефона, для случаев: (а) Если телефон не используется (б) Если телефон используется непрерывно Решение: Статическая мощность P static равна (0,040 А)*(1,2 В) = 48 мВт. Если телефон не используется, это единственное потребление мощности, поэтому время жизни аккумулятора равно (6 Ватт-часов)/(0,048 Вт) = 125 часов (примерно 5 дней). В случае, если телефон используется, динамическая мощность P dynamic равна (0,5)*(10 –8 Ф)*(1,2 В) 2 *(3 * 10 8 Гц) = 2,16 Вт. Общая мощность, являющаяся суммой P dynamic , P static и мощности вещания, составит 2,16 Вт + 0,048 Вт + 3 Вт = 5,2 Вт, поэтому время жизни аккумулятора будет равно 6 Ватт-часов/5,2 Вт = 1,15 часа. В этом примере фактическая работа телефона представлена в несколько упрощенном виде, но тем не менее, он иллюстрирует ключевые идеи, касающиеся мощности потребления. |