Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 37
Текст из файла (страница 37)
В быстродействующих КМОП-устройствах р.канальные транзисторы иногда изготовляют большего размера, чтобы уравнять времена переходов и сделать переходы на выходе от высокого уровня к низкому уровню и обратно более симметричными. С увеличением емкости нагрузки — независимо от свойств транзисторов — постоянная времени имеет большее значение н длительность переходных процессов т 50 Глава 3. Цифровью схемьв на выходе растет. Таким образом, задача разработчиков быстродействующих схем состоит в минимизации емкостной нагрузки, особенно для сигналов, наиболее критичных в отношении времени.
Это можно сделать, уменьшая число входов, на которые поступает данный сигнал, путем создания нескольких копий этого сигнала, а также посредством аккуратной разводки схемы. лр лп 200 0м > 1МОм > 1МОм !000м 5В "опт ОВ время 0 Рне. 3.41. Время нарастания при переходе напряжения на выходе КМОП-вентиля от низкого уровня к высокому При работе с реальными цифровыми схемами часто желательно оценить время переходных процессов без проведения детального анализа. Полезное эмпирическое правило состоит в том, что время переходного процесса приблизительно равняется постоянной времени йС-цепи заряда или разряда.
Например, оценки ! 0 нс и 20 нс для времени спада и нарастания в рассмотренном примере были бы достаточно приемлемыми, особенно с учетом того, что большинство предположений, прежде всего относительно емкости нагрузки и сопротивлений «открытых» транзисторов, являются приблизительными. Изготовители коммерческих КМОП-схем в своих справочных данных обычно не указывают сопротивления «открытых» транзисторов. Если тщательно поискать, то эту информацию можно найти в публикуемых изготовителями комментариях. Это сопротивление в любом случае можно оценить как частное от деления напряжения на «открытом» транзисторе на ток, протекающий через активную нагрузку в наихудшем случае„как это было показано в разделе 3.5.2: АСС рОНгппл' г онтвхт~ Огвп т 11ОЬ1»а т~ 3.6.
Динамические свойства КМОП-схем 161 НЕ ВСЕ ТАК ПРОСТО! Расчетная длительность переходного процесса на самом деле сильно зависит от выбора логических уровней. Если в примерах этого раздела в качестве порогов высокого уровня и низкого уровня использовать значения 2.0 В и 3.0 В вместо Е5 В н 3.5 В, то получим меньшее время лля каждого из переходных процессов. С другой стороны, если использовать уровни 0.0 В и 5.0 В, то расчетное время переходных процессов будет бесконечным! Следует также иметь в виду, что у некоторых логических семейств (особенно у семейства ТТЛ), пороги не симметричны относительно средней точки между минимальным и максимальным напряжением.
Тем не менее, опыт автора показывает, что оценка по правилу «время переходного процесса равно постоянной времени соответствующей )!С-цепи» обычно вполне применима. 3.6.2. Задержкараспространения Время нарастания и время спада сигнала лишь частично описывают поведение логического элемента в динамике; необходимы дополнительные параметры, чтобы связать временные диаграммы входного и выходного сигналов. Путь прохождения сигнала (з!япа! рагс) — это цепочка из электрических звеньев, по которой сигнал от входа проходит к выходу в рассматриваемом логическом элементе. Задержка раснространення (ргарапаг!он сЫау) ! вдоль пути прохождения сигнала Р определяется как время, необходимое для того, чтобы изменение входного сигнала привело к изменению выходного сигнала.
Сложный логический элементе большим числом входов и выходов может иметь различные значения ! при прохождении сигнала по тому или иному пути. ЗадерР жка распространения сигнала по данному пути зависит также от того, в каком направлении изменяется выходной сигнал. На рис. 3.42(а) указаны два различных значения задержки распространения от входа до выхода !без учета времени нарастания и спада) для КМОП-инвертора в зависимости от направления изменения сигнала на выходе: — время между изменением сигнала на входе и соответствующим нзмененирнь ем сигнала на выходе при переходе выходного напряжения с высокого уровня на низкий; — время между изменением сигнала на входе и соответствующим измененигьн ем сигнала на выходе при переходе выходного напряжения с низкого уровня на высокий. Отличная от нуля задержка распространения вызвана несколькими факторами.
На скорость изменения состояния транзисторов в КМОП-устройстве оказывают влияние как физические процессы в полупроводнике, так и условия эксплуатации схемы, включая скорость изменения входного сигнала„входную емкость и нагрузку на выходе. В многоуровневых схемах типа неинвертирующего вентиля и в устРойствах, реализуюших более сложные логические функции, может потребовать- ива ~лава еь ци~рровыа схемы ся изменение состояния нескольких внутренних транзисторов, прежде чем сможет измениться уровень сигнала на выходе. Но даже тогда, когда напряжение на выходе начинает изменяться, при отличных от нуля времени нарастания и времени спада требуется определенное время, чтобы пересечь область между логическими уровнями, как было объяснено в предыдущем разделе, Все эти факторы вносят свой вклад в задержку распространения сигнала.
(а) 1~ач поит (Ь) "ш з опт Рис. 3.42. Задержки распространения сигнала для КМОП-инвертора: (а) без учета времени нарастания и спада; (Ь) определяемые по моментам перехода через средние значения Чтобы не учитывать влияния времени нарастания и времени спада, производители обычно указывают задержку распространения по моментам перехода входного и выходного сигналов через среднюю точку, как показано на рис. 3.42(Ь). Однако иногда задержки определяются и по моментам пересечения пороговых значений логических уровней, особенно в тех случаях, когда на работе устройства может неблагоприятно сказаться медленное нарастание и спад входного сигнала.
Например, на рис. 3.43 показано, как можно определить минимальную длительность входного импульса для )Юзащелки (изучаемой в разделе 7 2.1). нгеи 8 или Й ьсяя Рис. 3.43. Определение длительности интервала времени по граничным значениям логических уровней в наихудшем случае Кроме того, производитель может указывать абсолютные максимальные значения времени нарастания и спада входного сигнала, при которых гарантируется надежная работа. Быстродействующие КМОП-схемы при слишком медленных изменениях входного сигнала могут потреблять чрезмерно большой ток или генерировать колебания.
3.6. Динамические свойства КМОП-охом 153 3.6.3. Потребляемая мощность Мощность, потребляемая КМОП-схемой при неизменном уровне сигнала на выходе, называется статической рассеиваем ой мощностью (з!а! !с ро!чег %за!раг!оп) или мощностью, рассеиваемой е режиме покоя (ди!«ясен! рожег Йзх(раг!оп). (При обсуждении вопроса о том, какая мощность тратится при работе устройства, термины потребляемая н рассеиваемая мощность означают практически одно и то же.) У большинства КМОП-схем статическая рассеиваемая мощность очень мала. Именно это делает их такими привлекательными для портативных ЭВМ и для других применений, когда требуется, чтобы потребляемая мощность была мала: во время пауз в работе компьютера потребляется очень небольшая мощность. Существенную мощность, называемую динамической рассеиваемой мощностью Япат!ар ожег с!!хира!!оп), КМОП-схема потребляет только во время переходных процессов. Одной из причин рассеивания мощности при переходе из одного состояния в другое является частичное замыкание выходной цепи КМОП-схемы.
Если входное напряжение не равно примерно 0 В или напряжению питания К, то оба выходных транзистора — р-канальный и п-канальный- могут быть частично «открытыги при этом их суммарное сопротивление равно 600 Ом или меньше. В этом случае ток течет через транзисторы от шины питания К к земле. Таким образом, величина потребляемой мощности зависит, как от значения К так и от скорости переходного процесса на выходе и определяется по формуле РГ =СРГг '!СС '! 2 Р— мощность рассеиваемая внутри схемы, обусловленная переходными процессамн на выходе; г сс — напряжение питания; как известно всем инженерам-электрикам, мощность рассеиваемая на активной нагрузке (на частично открытых транзисторах) пропорциональна квадрату напряжения; Х вЂ” частота переключений (!гале!г!оп~ге!!иепсу) в выходном сигнале; ею определяется, сколько раз в секунду на выходе происходят переключения, при которых потребляется мощность (впрочем, обратите внимание, что частота, по определению, равна числу переключений, деленному на 2); Срр — емкость, которой определяется рассеиваемая мощиость (ро!гег!тгтж!ранов сарасйапсе); это константа, обычно указываемая производителем схем, используется для нахождения рассеиваемой мощности по приведенной формуле; величина С имеет размерность емкости, но не является реальной емкостью выходной цепи; скорее, она отражает динамику протекания тока через изменяющиеся сопротивления выходных транзисторов в теченче одной пары переходов на выходе от высокого уровня к низкому и в обратном направлении; например, Сап для КМОП-вентилей серии НС в типичном случае составляет 20 — 24 пФ, несмотря на то, что реальная емкость выходной цепи много меньше.
154 Глава 3. цифровые схемы Соотношение для Рт справедливо только в том случае, когда изменения сигнала на входе достаточно быстры„что приводит к быстрым переходным процессам иа выходе. Если входные сигналы изменяются слишком медленно, то выходные транзисторы остаются частично открытыми длительное время, и потребляемая мощность возрастает. Производители микросхем обычно указывают максимальное время нарастания и спада входного сигнала, вплоть до которого остается правильным указанное значение С Второй, и часто более существенной причиной потребления мощности КМОП- схемой является наличие емкостной нагрузки (С„) на выходе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
