Файл: Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003).pdf

д.4- Схемотехнические и энергетические характеристики 129

высокую плотность компоновки при реализации цифровых устройств. В этом заключается их бесспорное преимущество по сравнению со схемами без отношения.

> t-DD

гН

^Выход

Рис . д . 4 . 8 . Логика с непосредственными связями на полевых транзисторах Шоттки. (DCFL)

Другим важным достоинством является высокое быстродейст­ вие и, соответственно, высокая скорость производства информации. Это достоинство так же является следствием простоты конструк­ ции, которое обеспечивает минимальные значения паразитных ем­ костей транзисторных структур и соединений, и высокие значения коммутируемых ими токов. Сочетание малых значений емкостей и больших токов, заряжающих и разряжающих эти емкости в процес­ се производства информации, позволяет достичь рекордно малых значений задержек переключения. Малые значения паразитных ем­ костей достигаются за счет использования полной диэлектрической

130 Дополнение

изоляции базовых вентилей. Высокие значения токов при сравни­ тельно малых площадях рабочих областей планарных структур и сравнительно небольших напряжениях питания обуславливает уни­ полярный (электронный) механизм проводимости элементарных пе­ реключателей в открытом состоянии. В данном типе базовых ло­ гических вентилей носителями являются электроны, в отличие от КМОП-элементов, где ток обусловлен как электронами так и дыр­ ками, подвижность которых в несколько раз ниже чем у электронов.

Д.4.4. Особенности энергопотребления

Особенности энергопотребления логических схем с отношением, вы­ текающие из способа производства информации, рассмотрим на при­ мере вентиля типа DCFL. Данный тип базовых элементов является типичным представителем схем с непосредственными связями на приборах, управляемых током.

Общее выражение для скорости потребления энергии от источ­

Среднее значение статической компоненты мощности Рст опре­

где Г] —часть времени, в течении которого выход вентиля нахо­ дится в состоянии «О»; РсО — мощность в режиме открытого пе­ реключательного элемента; Pel — мощность в режиме закрытого переключательного элемента;

Когда переключательный элемент инвертора или, по крайней ме­ ре, один из переключательных элементов в схеме «ИЛИ-НЕ» DCFLтипа открыт, имеет место гальваническая связь между шиной пита­ ния и общей шиной, по которой протекает ток. Таким образом, для сохранения логического состояния необходимо потребление энергии от источника питания.

Когда все переключательные элементы в схеме «ИЛИ-НЕ» DCFLтипа закрыты, прямая гальваническая цепь между шиной питания и общей шиной отсутствует, но имеет место цепь, соединяющая шину питания с общей шиной через диод Шоттки нагрузки, подключен­ ный к выходу. По этой цепи протекает ток, формирующий уровень логической «1». Таким образом для сохранения данного логического состояния необходим ток и, следовательно, расходование энергии

д.4- Схемотехнические и энергетические характеристики

от источника питания. Величина тока определяется напряжением питания, сопротивлениями каналов нагрузочного и переключатель­ ного транзисторов и вольт-амперной характеристикой диода Шоттки. С точки зрения минимизации количества потребляемой энергии, напряжение питания должно быть возможно меньшим, а сопроти­ вление канала нагрузочного элемента возможно большим. Однако, при этом быстродействие вентиля, определяемое временем заряда паразитной нагрузочной емкости Сн, будет минимальным.

Поэтому упомянутые параметры выбираются на основе компро­ мисса между скоростью производства информации и энергопотре­ блением.

Мгновенное значение динамической компоненты Рц^(\) в выра­ жении (Д.4.1) определяется выражением:

где dE иг — мгновенные значения энергии и тока, протекаюп1;его от источника питания в переходном режиме при смене логического состояния на выходе вентиля. Мгновенное значение тока определя­ ются выражением:

На основании (Д.4.3) и (Д.4.4) ^\ля энергии, потребляемой от ис­ точника питания при заряде нагрузочной емкости, можно записать:

=Vdd-Cn'{Vi-Vo).

Вотличие от КМОП уровень логической «1» Vi ф Vdd-i ^ уровень логического «О» VQ Ф 0. Практически J\^^SL D C F L вентиля АС/ < 0,7 В. Динамическая компонента шцется с учетом сказанного вьппе и опреде­ ляется соотношением:

где ao-^i — фактор переключательной активности.

И, наконец, третья компонента мош;ности Рут определяется фор­

132 Дополнение

где /ут — ток обусловленный утечкой через закрытый переключа­ тельный транзистор.

Основной особенностью энергопотребления логических вентилей с отношением является постоянное потребление энергии, необходи­ мой как для производства информации, так и ^\ля ее сохранения в виде уровней напряжения логических «О» и «1». Для вентилей с от­ ношением, построенных на приборах, управляемых напряжением, процесс производства новой информации во время переходных про­ цессов при переключении и поддержке информации в стационарных режимах во многом отличаются. Формирование напряжения [/«i» на выходе вентиля в них происходит путем заряда нагрузочной емко­ сти Сн, подключенной к выходу, током, протекаюп1;им от источника тока через нагрузочный элемен, за время TQI, определяемое выраже­ нием:

где Лн — сопротивление нагрузочного элемента.

Для поддержания уровня i7«i» не требуется протекания тока и, следовательно, в данном стационарном состоянии ток не протека­ ет (за исключением тока утечки нагрузочной емкости) и источник питания не рассеивает энергии.

При уменьшении норм проектирования и, соответственно, раз­ меров рабочих областей логических вентилей, уменьшаются вели­ чины паразитных емкостей и уменьшается энергия единичного пе­ реключения {Р X г). Поэтому схема типа DCFL может оказаться более эффективной (например, при больших частотах), чем КМОПлогика.

Д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Принцип действия вентилей данного типа заключается в переключе­ нии тока генератора постоянного тока между двумя цепями, имею- п];ими общий узел, подключенный к генератору тока. В зависимости от состояния входа ток неизменной величины, поставляемый гене­ ратором тока, может протекать в обилую шину по одной из двух возможных цепей, формируя уровни логического нуля и логической единицы.

При этом уровень логического нуля С/«о» может формироваться двумя способами.

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Первый способ заключается в том, что уровень t/«o» формиру­ ется на выходном электроде, подключенном к цепи, соединенной с общей шиной, когда ток в цепи отсутствует. Этот способ реализует­ ся в эмиттерно-связанной логике или в истоково-связанной логике, называемой также логикой на переключателях тока. Уровень ло­ гической единицы С/«1» в подобных вентилях формируется за счет падения напряжения на нагрузочном резисторе в цепи, соединенной с общей шиной, когда ток гененератора тока переключен в эту цепь. При этом в другой цепи ток отсутствует.

Второй способ формирования уровней С/«о» и C/«i», реализован­ ный в вентилях с инжекционным питанием, также заключается в переключении тока генератора постоянного тока из одной цепи в другую. Упомянутые цепи имеют два общих узла. Одним общим уз­ лом является общая шина («земля»), другим — узел подключения генератора неизменного тока, который является входом вентиля.

Д.5.1. Общий принцип схемотехнической организации и классификация

Организация логических схем на токовых ключах базируется на использовании генератора тока, величина которого неизменна д,ля всех режимов работы схем. Ток генератора тока, оставаясь неиз­ менным по величине, переключается, по крайней мере, одним пе­ реключателем в две разные цепи. По какой цепи протекает ток, определяется входным сигналом, управляющим переключателем.

Представление логической «1» при этом осуществляется за счет создания падения напряжения на линейных или нелинейных элемен­ тах схемы одной цепи. Уровень логического «О» определяется про­ теканием этого тока по другой цепи.

Этот принцип может быть реализован в двух типах схем, приве­ денных на рис. Д.5.1 и рис. Д.5.2. Схема первого типа представляет собой дифференциальный усилитель и содержит два переключателя П1 и П2, которые управляются двумя разными входными сигнала­ ми. При соответствующем входном сигнале, когда П1 находится в проводящем состоянии, ток генератора тока 1 протекает по цепи 1 и создает на резисторе падение напряжения и на выходе имеет место напряжение C/«i». При этом П2 разомкнут и ток в цепи 2 отсутствует и, следовательно, напряжение на выходе 2 равно напряжению общей шины. При противоположных входах П1 — закрыт, П2 — открыт, напряжения на выходах имеют противоположные значения.

Дополнение

Еп

/777

Р и с . Д . 5 . 1 . Эквивалентная схема токового ключа на основе дифференци­ ального усилителя.

В схемах второго типа ток генератора 7 переключается пере­ ключателем П1, управляемым входным сигналом Вх1. При откры­ вающем входном сигнале ток /, протекая по резистору, создает на выходе 1 напряжение С/«о». При разомкнутом П1 ток / втекает в цепь 2, а именно, во входную цепь переключателя П2, и открывает П2. Если входная цепь переключателя П2 представляет собой диод, то на вых1 будет формироваться напряжение C/«i» в соответствии с видом вольт-амперной характеристикой и величиной тока /.

ггп

Рис . Д.5.2. Эквивалентная схема токового ключа с инжекционным пита­ нием.

В соответствии со способами формирования логических уров­ ней, описанными выше, логические схемы на токовых ключах можно сгруппировать в два класса (см. рис. Д.5.3). Вентили первого класса строятся на основе схемы дифференциального усилителя, вентили второго класса известны под названием схем с инжекционным пи­ танием. Обобщенные структурные схемы этих классов приведены на рис. Д.5.4 и рис. Д.5.5.