5 РАСЧЕТ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ

Рассчитаем быстродействие и потребляемую мощность устройства сравнения четырехразрядных двоичных чисел. Для расчета быстродействия необходимо определить минимальный период и максимальную частоту тактовых импульсов. Для определения минимального периода необходимо просуммировать среднее время задержки распространения сигнала во всех узлах устройства, которые работают последовательно. Если устройства соединены параллельно, то они сравниваются и выбирается наибольшее время задержки.

Среднее время задержки находится по формуле:

t_{зд.р.ср.=} (10)

где – время задержки распространения сигнала от входа к выходу логического элемента при включении, нс;

– время задержки распространения сигнала от входа к выходу логического элемента при выключении, нс.

Рассчитаем среднее время задержки при загрузке исходных данных. Так как регистр ЭКР1554ТМ8 (IN74AC175) и счетчик ЭКР1554ИЕ18 (IN74AC163) работают параллельно, то время задержки будет определяться большим значением времени задержки.

Определим среднее время задержки регистра ЭКР1554ТМ8 (IN74AC175).

t _{зд.р.ср. DD2} = (10,5+ 9,5) / 2 = 10 нс.

Определим среднее время задержки счетчика ЭКР1554ИЕ18 (IN74AC163).

t _{зд.р.ср. DD3} = (10 + 9,5) / 2 = 9,75 нс.

Так как среднее время задержки регистра ЭКР1554ТМ8 по расчету оказалось больше времени задержки счетчика, то это значение будет взято в основу среднего времени ввода исходных данных. Следует помнить, что необходимо учесть время задержки микросхемы ЭКР1554ЛН1.

t _{зд.ввода} = t _{зд.р.ср. DD2 +} t _{зд.р.ср DD1 =} 10 +7,25 = 17,25 нс.

Определим среднее время задержки для инвертора ЭКР1554ЛН1 (IN74AC04).

t _{зд.р.ср DD1, DD4} = (7 + 7,5) / 2 = 7,25 нс.

Определим среднее время задержки четырехразрядного двоичного компаратора.

Для микросхемы ЭКР1554ЛИ1 (IN74AC08):

t _{зд.р.ср DD5 – DD7, DD10} = (7,5+8,5) / 2 = 8 нс.

Для микросхемы ЭКР1554ЛИ3 (IN74AC11):

t _{зд.р.ср DD9} = (7,5+ 8,5) / 2 = 8 нс.

Для микросхемы ЭКР1554ЛИ6 (IN74AC21):

t _{зд.р.ср DD11} = (7+ 6,5) / 2 = 6,75 нс.

Для микросхемы ЭКР1554ЛЛ1 (IN74AC32):

t _{зд.р.ср DD8, DD12} = (7,5+8,5) / 2 = 8 нс.

Рассчитаем время задержки для сравнения одного разряда операнда А с разрядом операнда В:

t _{зд.р.ср компар.} = 27,25 + 28 + 4 8 = 62,5 нс.

Рассчитаем время вывода результата операции:

t _{зд.р.вывода} = t _{зд.р.ср. DD13} = (10,5 + 9,5) / 2 = 10 нс.

Теперь рассчитаем среднее время задержки для всего устройства.

t _{зд.р.ср.общ.} = 10 + 17,25 + 62,5 = 89,75 нс.

Полученное время задержки умножим на коэффициент, равный 1,2 для учета скважности тактовых импульсов.

T_{с мин} = t _{зд.р.ср.общ.}= 89,75 ∙ 1,2 = 107,7 нс.

Частоту тактовых импульсов определим по формуле:

f = 1 / T_{с мин} (11)

f = 1 / 107,7 = 9,285 МГц;

Для того, чтобы рассчитать среднюю потребляемую мощность необходимо определить потребляемую мощность каждого элемента, а затем просуммировать полученные результаты.

P_{пот. ср.} = U_и.п. ∙ I_пот. , (12)

где U_и.п. - напряжение источника питания и для микросхем логики КМОП U_и.п = 5В;

I_пот. - средняя потребляемая мощность, мА.

P_{пот. ср. ЭКР1594ТМ8 (IN74ACT175)} = 80  10^–6 ∙ 5 = 0,4 мВт;

P_{пот. ср. ЭКР1594ИЕ18 (IN74ACT163)} = 80  10^–6 ∙ 5 = 0,4 мВт;

P_{пот. ср. ЭКР1594ЛН1 (IN74ACT04)} = 40  10^–6 ∙ 5 = 0,2 мВт;

P_{пот. ср. ЭКР1594ЛИ1 (IN74ACT08)} = 40  10^–6 ∙ 5 = 0,2 мВт;

P_{пот. ср. ЭКР1594ЛИ3 (IN74ACT11)} = 40  10^–6 ∙ 5 = 0,2 мВт;

P_{пот. ср ЭКР1594ЛИ6 (IN74ACT21)} = 40  10^–6 ∙ 5 = 0,2 мВт;

P_{пот. ср. ЭКР1594ЛЛ1 (IN74ACT32)} = 40  10^–6 ∙ 5 = 0,2 мВт.

Рассчитаем среднюю потребляемую мощность для всех микросхем:

P_{пот. ср.} = 2 ∙ 0,4 + 0,4 + 20,2 + 4 ∙ 0,2 + 0,2 + 0,2 + 20,2 = 3,2 мВт.

Мощность светодиода: P_VD = (I_{д. пр.} ∙ U_{д. пр.}) ∙ 3 = (0,02 ∙ 2) ∙ 3 = 120 мВт.

Мощность резистора: P_огр = (I² _{д. пр.} ∙ R) ∙ 3 = (0,02² ∙ 150) ∙ 3 = 180 мВт.

Исходя из этого общая средняя потребляемая мощность будет рассчитываться следующим образом:

P_{пот. ср. общ.} = P_{пот. ср.} + P_VD + P _огр = 3,2 + 120 +180 = 303,2 мВт.

30