Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 38
Текст из файла (страница 38)
При переходе от низкого уровня к высокому ток, протекающий через транзистор ср-каналом, заряжает емкость С, . Аналогично, при переходе от высокого уровня к низкому током, протекающим через транзистор с п-каиалом, емкость С, разряжается. В каждом из этих случаев иа сопротивлении «открытого» транзистора рассеивается мощность.
Полную мощность„рассеиваемую при заряде и разряде С„, обозначим Р Величина Рь имеет размерность мощности или энергии, рассеиваемой в единицу времейи. Энергию, рассеиваемую за один переход, можно было бы определить, вычисляя ток через заряжающий транзистор как функцию времени (с учетом постоянной времени соответствующей ЯС-цепи, как это делалось в разделе 3.6.1), возводя этот ток в квадрат, умножая на сопротивление «открытого» транзистора и интегрируя по времени. Ниже описан более простой путь. За время перехода напряжение на емкости нагрузки С„изменяется на величину ~Ус .
Согласно определению емкости, суммарный заряд, который должен протечь, чтобы напряжение на емкости С изменилось на величину У равен С,.У . Полная энергия, расходуемая за один переход, равна заряду, умноженному на средний перепад напряжения У /2. Поэтому энергия, потребляемая за все время перехода, равна С„У2 /2 Если за одну секунду происходит 2/переходов, то мощность, рассеиваемая из-за наличия емкостной нагрузки, равна Рь =Сь (Усс/2) 2/'=С Усс / Суммарная динамическая мощность, рассеиваемая КМОП-схемой, равняется сумме мощностей Рт и Р: ь' Ргэ=Рг+Р1.=срп Усс'/+с~.'Усс'1=(сргэ+сь)Усс /. 2 2 Динамическую рассеиваемую мощность, вычисляемую по этой формуле, часто называют Су'г"-ыои/ностыо (С узоров ег). В большинстве случаев при использовании КМОП-схем СУ2/-'мощность, безусловно, является главной составляющей полной рассеиваемой мощности.
Заметьте, что СУ 2/'-мощность рассеивается также в биполярных логических схемах, таких как ТТЛ- и ЭСЛ- схемы, но при низких и умеренных частотах она незначительна по сравнению со статической рассеиваемой мощностью (по постоянному току). 3.7. Другие варианты входных и выходных цепей КМОП-схем 163 3.7. Другие варианты входных и выходных цепей КМОП-схем В этом параграфе описаны некоторые наиболее часто используемые модифика- ции входных и выходных цепей КМОП-схем, возникшие в процессе приспособле- ния основной конфигурации КМОП-схем к нуждам конкретных приложений. 3.7.1.
Логические ключи Соединенные вместе транзисторы с р- и л-каналами, образуют управляемый логи- ческим сигналом выключатель. Эга КМОП-схема, показанная парис. 3 44, называ- ется логическим ключом (стробмруюмтим устройством; тгаллтйвтоп нате). екав Обычно — комолтементарные А В Рис. 3.44. КМОП-ключ усс Рис. 3.45. Двухвходовой мульти- плексор с КМОП-ключом Для нормальной работы ключа необходимо, чтобы его входные сигналы Ет'т и Еот Е всегда имели твэотивоположньте логические уровни.
Когда на вход ЕМ подан высский уровень, а на вход Ей Е- низкий уровень, сопротивление между точками А н В мало (порядка 2 — 5 Ом). Когда на вход Ест подан низкий уровень, а на вход Ей Š— высокий уровень, точки А и В разъединены. Когда ключ замкнут, задержка распространения сигнала от точки А до точки В (или в обратном направлении) очень мала. Благодаря малым задержкам и простой структуре такие ключи часто используются в составе КМОП-схем большей степени интеграции типа мультиплексоров и триггеров.
Например, на рис. 3.45 показано применение ключа в 2-входовом мультиплексоре. Если на входе 8 действует низкий уровень, то с выходом г. соединен вход Х; при наличии на входе 3 высокого уровня с выходом к соединен входу. 8.7. Другие варианты входных и выходных цепей КМОП-схем 157 шумом порядка О 5 В. У обычного инвертора без гнстерезиса порог переключения в сторону увеличения н уменьшения напряжения одинаков н равен Ут 2.5 В. Поэтому обычный инвертор реагирует на шум так, как показано на рнс. 3.47(Ь): на его выходе возникают многократные изменения сигнала, происходящие каждый раз, когда входное напряжение с помехами пересекает порог переключения. Инвертор с триггером Шмитга, как показано на рис.
3.47(с), не реагирует на шум, поскольку у него ширина петли гистерезиса превышает амплитуду помех. (а) 5.0 гт+=зд Гт= а5 ктгяз1 Н)ан (с) н!ен ЬОУГ Рис. 3.47. Поведение логических схем при медленном изменении сигнала на входе: (а) медленно изменяющийся входной сигнал с шумом; (Ц сигнал на выходеобычногоинвертора;(с)сигнал навыходеинвертораспетлейгистерезиса шириной 0.8 В 3.7.3. Схемы с тремя состояниями У выходов логических схем существует два нормальных состояния — низкий уровень (ЮМЧ) и высокий уровень (Н)6Н), соответствующие логическим значениям 0 и 1. Однако у некоторых выходов имеется третье состояние, называемое высокоамным состоянием (ЬфЫтреа~алсе згаге), состолниен На-Х(Нс-Хзгаге) или ллаваюн1им состолннем (ЯоаГтд МаГе); третьему состоянию не приписывается какое- либо логическое значение.
В третьем состоянии выход ведет себя так, как будто он < 58 Глава 3. Цифровые схемы не соединен со схемой, за исключением малого тока утечки, втекающего или выте. кающего через выходной контакт. Таким образом, выход может находиться в одном из трех состояний — в состоянии логического О, логической ! и Н)-У.. ПРИВЕДИТЕ В ПОРЕДОК ПЕРЕДАЧУ ДАННЫХ По сравнению с обычными логическими схемами вентили с триггером Шмитта на входе менее чувствительны к искажениям сигналов вследствие отражений в линии передачи (этот вопрос обсуждается в параграфе 11.4) и более помехоустойчивы при большой длительности нарастания и спада сигнала.
Такие сигналы обычно наблюдаются в физически длинных линиях связи типа шнн ввода-вывода и кабелей компьютерных интерфейсов. В этих случаях важна нечувствительность к шумам, так как в длинных сигнальных линиях, скорее всего, будут отражения или на них будет наводиться шум от соседних линий, схем и устройств. Выходе тремя возможными состояниями называется (какая неожиданность!) выходом с тремя состояниями (<Ьгее-э<а<« ангра<, <г<зк<а<е а шри<). Схемы с тремя состояниями имеют дополнительный вход, обычно называемый «входом разрешения выхода» или «входом запрещения выхода», для перевода одного или нескольких выходов схемы в высокоомное состояние.
Шина с тремя состояниями (<Ьге«чма<е Ьиз) образуется путем соединения нескольких выходов с тремя состояниями. Блок управления входами разрешения выхода должен гарантировать, что в любой момент времени не более одного выхода находится в состоянии логи <еского О или логической 1 (не в состоянии Н)-Е). Задавать на шину логические уровни (высокий и низкий) может единственное устройство, на которое подан сигнал разрешения выхода. Примеры организации шины стремя состояниями приведены в параграфе 5.б. На рис. 3.48(а) показана принципиальная схема КМОП-оуфера стремя состояниями(<йге«х<а<е ЬиЯ«г).
Ради упрощения схемы входящие в нее элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и инвертор представлены их условными обозначениями, а не в виде комбинации транзисторов; фактически в этой схеме используется ! О транзисторов (см. задачу 3.80). Нз таблицы на рис. 3.48(Ь) видно, что при низком уровне на входе разрешения (ЕМ) выходные транзисторы закрыты, и выход находится в третьем состоянии. В противном случае на выходе возникает высокий уровень или низкий уровень в зависимости от «данных» иа входе д.
В условном обозначении буферов и вентилей с тремя состояниями обычно бывает указан вход разрешения, изображаемый сверху, как показано на рнс, 3.48(с). 3. г. Другие варианты входных и выходных цепей КМОП-схем т о9 Чтобы обеспечить соответствующий динамический режим выходных транзис„оров при переходе в третье состояние и при выходе из него, реальная схема управления выходом с тремя состояниями может отличаться от показанной на рисунке.
В „астности, устройства с тремя состояниями на выходе обычно проектируют так, чтобы задеРжка пРи подаче РазРешающего значениЯ сигнала (пеРеход от тРетьего остояния на выходе к низкому уровню или к высокому уровню) была несколько больше, чем задержка при подаче запрещающего значения сигнала (переход от низкого уровня нли от высокого уровня на выходе к третьему состоянию).
Это позволяет блоку управления одновременно подавать сигнал разрешения выхода на управляющий вход одного устройства и сигнал запрещения выхода- на управляющий вход другого устройства с гарантией, что второе устройство перейдет в третье состояние раньше, чем первое устройство выставит на шине высокий или низкий уровень. (а) ел я в с О ц~ 020от ь ь н н ь оя ая ньа ННН соя ояННд н ь ь н н ап оя н н ь ь ь ая оп н Оот (с) ен и ~ — сит рнс. 3.48.
КМОП-буфер с тремя состояниями: (а) принципиальная схема; ()э) таблица, описывающая работу схемы; (с) условное обозначение (А — входданных, ЕН вЂ” управляющий вход, 00Т вЂ” выход; Š— низкий уровень, Н вЂ” высокий уровень; оп -открыт, о(( — закрыт; Н1-2-третье состояние) Если два выхода с тремя состояниями, подключенные к одной шине, в одно и то же время находятся в активном режиме и пытаются установить противоположные уровни, то возникает ситуация, подобная изображенной на рис.
3.56, где соединены между собой выходы обычных вентилей. В этой ситуации пашине устанавливается напряжение, не соответствующее какому-либо из логических уровней. Если такое состояние имеет место в течение короткого времени, то схемы, вероятнее всего, не будут повреждены, но значительный ток, протекающий через соединенные между собой выходы, может создать импульсную помеху и повлиять на работу каких-то других узлов в системе. Когда КМОП-схема с тремя состояниями находится в третьем состоянии, по ее выхолу течет ток утечки до! О мкА. Этот ток, а также входные токи схем, подключенных к данному выходу, необходимо принять во внимание при расчете максимального числа устройств, которые можно подключить к шине с тремя состояни"и и другими словами, схема с тремя состояниями, которой разрешено установить на выходе низкий нли высокий уровень, должна допускать втекание или вытекание по ее выходу токов утечки всех других выходов с тремя состояниями, подкл ючени~ ~х к шине, каждый из которых может доходить до 1О м к А, а также входных токов всех входов, подключенных к шине.
Как и в случае обычных КМ ОП-вентилей, рас- З 60 Глава 3. Цифровые схемы чет необходимо провести отдельно для низкого уровня и лля высокого уровня, чтобы гарантировать выполнение требований, касающихся коэффициента развет- вления по выходу для конкретной конфигурации схемы. *3.7.4. Схемы с открытым стоком Говорят, что транзисторы с р-каналом в выходных цепях КМОП-схем обеспечивают активное подтягивание (асгЬе риП-ир) выходного напряжения к потенциалу шины питания при переходе с низкого уровня на высокий уровень, Эти транзисторы отсутствуют в вентилях с открытым стакач на выходе (арал-с(тат аигригг), таких как вентиль И-НЕ, показанный на рис. 3.49(а).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
