Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

Дополнение

Электронные схемы логических вентилей — базовые элементы цифровых интегральных устройств с точки зрения энергетики, пред­ ставляют собой совокупность электронных компонентов, организо­ ванных в единый ансамбль электронных цепей ^\ля передачи, накоп­ ления и диссипации электрической энергии, потребляемой с внешних источников. В совокупность электронных компонентов обязатель­ но входят переключатели, управляемые входными электрическими сигналами. Эти переключатели формируют электрические цепи со­ вместно или с другими переключателями, или с пассивными компо­ нентами, с помош;ью которых двоичная цифровая информация пред­ ставляется в виде уровней напряжений (или токов) за счет потоков энергии между полосами источников питания. При смене входной информации переключатели изменяют конфигурации цепей и соот­ ветственно потоков энергии в них. При этом происходит накопление энергии в одних компонентах и ее диссипация в других.

Количество энергии, необходимое ^\ля предоставления информа­ ции и скорости накопления и диссипации энергии, определяюп],ие скоростные характеристики производства информации, определя­ ются:

-принципами действия элементарных переключателей и других компонентов вентилей;

-видами их соединения в электронных схемах вентилей и спо­ собам подключения к источникам энергии;

-способами воплоп];ения компонентов и соединений между ними

иисточниками энергии в интегральной структуре.

Эти факторы совместно определяют как количество энергии так и скорость ее потребления, необходимые для достижения определен­ ной скорости обработки информации. Они тесно взаимосвязаны и трудно однозначно четко выделить их индивидуальные вклады.

Тем не менее, если приоритет отдать энергетике производства информации, то логично вначале рассмотреть факторы, в первую очередь, определяюш;ие необходимое количество энергии. С этой це­ лью рассмотрим логические вентили как энергопотребители.

Какое количество энергии необходимо J\RR производства инфор­ мации и достаточно ^\ля этого производства с заданным быстродей­ ствием — мало ответить на этот вопрос. Надо еще разобраться, как и какими средствами этого достигнуть.

Для этого в данном разделе излагаются принципы организации электронных схем логических вентилей.

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

Воплощение схемотехнических принципов в конкретные базовые элементы цифровых схем начинается с подбора элементарных пере­ ключателей.

Этот выбор определяется прежде всего требованиями по бы­ стродействию, которые предъявляются к цифровому устройству. Скорость производства информации на уровне базового логическо­ го вентиля в основном определяется принципом действия элемен­ тарного переключателя. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные типы переключателей, как элементы цифровых вентилей, главным образом определяющие скорость производства цифровой информации.

И, наконец, электронная схема должна быть реализована в виде интегральной структуры. От того, каким образом это будет выпол­ нено, зависит скорость производства информации и цена, которую за это надо будет заплатить. Изготовление интегральных цифровых устройств дорогостоящее дело. Поэтому требования к параметрам физической структуры, к геометрическим (топологическим) разме­ рам элементов не должна быть чрезмерно жесткими. Они должны соответствовать достигнутому уровню развития технологии. Же­ лательно решить задачу без усложнения технологии по возможности только за счет соответствующей организации конфигурации схемы соединения компонентов и подбора вида и параметров электронных ключей. То есть схемотехническим путем. Особенности структур базовых элементов, определяющие энергетику и скоростные качества базовых вентилей будут изложены в последующих разделах дополнения.

Д.2.1. Классификация вентилей как энергопотребителей

Рассматриваемая классификация в качестве классификационных при­ знаков использует свойства логических вентилей, характеризующих их энергетические характеристики.

Первым классификационных признаком в соответствии со ска­ занным выше целесообразно использовать вид источников питания, из которого цифровые схемы потребляют энергию, необходимую для производства информации. По этому признаку все виды цифро­ вых схем можно сгруппировать в три класса.

К первому классу отнесены вентили, питающиеся от традици­ онных источников электроэнергии искусственного происхождения: вторичные источники стабилизированного напряжения, батарейки, аккумуляторы и другие. Эти источники используются р,ля подавля­ ющего большинства цифровых схем.

Дополнение

Ко второму классу вентилей — энергопотребите:?1ей относятся вентили, которые ^\ля питания используют ионизирующее излуче­ ние. Широко известны логические вентили, питающиеся от света искусственных источников. Существуют также логические схемы работоспособные от солнечного света.

Они отнесены ко второму классу. К данному классу относятся также и вентили, способные использовать энергию других источ­ ников энергии. В качестве таких источников используется фоновое радиоизлучение, сейсмическая энергия вибрации стен зданий, пе­ репады атмосферного давления и другие. Вентили данного класса принципиально отличаются от вентилей предыдущего класса нали­ чием встроенных преобразователей энергии.

Известны также логические вентили, способные функциониро­ вать как от искусственных традиционных источников, так и от естественных источников энергии. Например, такие вентили могут питаться энергией солнечного света, а в его отсутствие — от тра­ диционного аккумулятора. Вентили данного третьего класса прин­ ципиально отличаются от двух предыдущих наличием специальных средств, обеспечивающих изменения режима электропитания.

Традиционные источники питания J\ля передачи энергии требу­ ют, по крайней мере, двух шин: собственно шин питания и общей шины. Шины подключаются к каждому вентилю цифрового устрой­ ства и занимают значительную часть площади кристалла. Это об­ стоятельство во многом определяет топологию интегральной схе­ мы и затрудняет внутрисхемные соединения. Большая длина шин и большая площадь шин также отрицательно сказываются на надеж­ ности устройств и плотности их упаковки. Энергетическое снаб­ жение с использованием традиционных источников является типич­ ным централизованным с присущими ему недостатками.

Любой одиночный дефект, приводящий к короткому замыканию шин питания, приводит к катастрофическому отказу устройства в целом.

Протекание токов по шинам питания обуславливает термолизацию части поставляемой источником энергии. Неизбежные потери энергии при транспорте от источника к вентилю делает принципи­ ально невозможным создание полностью адиабатических схем, то есть, схем совершенно не диссипирующих энергию.

Вторым классификационным признаком рассматриваемой клас­ сификации логично использовать характеристику вентилей-потре­ бителей, отражающую степень диссипации энергии в процессе об-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

работки и хранения информации. Долгое время существовали логи­ ческие элементы только полностью диссипирующие потребляемую от источников питания энергию. Электрическая энергия, поставля­ емая как искусственными, так и естественными источниками элек­ тропитания в процессе производства информации диссипировалась полностью, превращаясь в тепло, выделяемое на резистивных эле­ ментах конструкции цифровых устройств. Это порождало большие проблемы теплоотвода. Сравнительно недавно появились новые ви­ ды вентилей и логических схем, принципиально отличающиеся от упомянутых выше. Появились логические схемы лишь частично дис­ сипирующие энергию, потребляемую от источника в процессе про­ изводства информации. В цифровых схемах данного вида энергия диссипируется лишь часть энергии поставляемой источником, дру­ гая же часть — обратно возвращается в источник питания и исполь­ зуется повторно. Схемы данного вида имеют качественные отличия от широко используемых традиционных схем, обуславливающие их несомненные достоинства в экономичности.

Изложенное выше иллюстрируется верхним фрагментом класси­ фикационной диаграммы, приведенной на рис. Д.2.1.

В нижнем ряду классификационной диаграммы представлены виды схемотехнических воплощений логических вентилей. Схемо­ технические виды отличаются способами представления двоичной информации и способами ее обработки. Именно от того, как пред­ ставляется и обрабатывается информация, зависит энергетика ло­ гических вентилей. Полностью диссипируюпще энергию вентили пред­ ставлены тремя видами: так называемыми схемами с отношением, схемами без отношения и схемами типа переключателей тока. Эти виды схемотехнических решений потребляют энергию, как прави­ ло, от традиционных источников, реже — от излучения. В процессе производства информации эти виды вентилей полностью диссипируют потребляемую энергию.

Всхемах с отношением при производстве информации уровень логического «О» формируется за счет падения напряжения на рези­ сторе. При этом транспорт энергии от источника энергопитания сопровождается ее диссипацией.

Всхемах без отношения уровень логической «1» формируется пу­ тем накопления энергии на паразитной выходной емкости. В процес­ се транспорта энергии от источника энергопитания к накопителю имеет место ее диссипация на резистивных элементах. Однако, при некоторых уровнях потери энергии можно значительно уменьшить.

Дополнение

Упомянутые три вида схемотехнических решений с их разновид­ ностями и энергетическими особенностями будут подробно рассмо­ трены в разделах Д.З и Д.4. В нижнем ряду классификационной диаграммы размещены также несколько видов частично диссипирующих схем вентилей. Описание принципов их функционирования и конкретных схемотехнических решений посвяш,ен раздел Д.6, здесь же отметим, что эти виды вентилей также питаются от традици­ онных источников энергии, как правило, аккумуляторов.

Что же касается вентилей, потребляюш;их энергию от комбини­ рованных источников энергии (класс III на классификационной диа­ грамме), то они находятся в ранней стадии развития. Имеются лишь их отдельные схемотехнические решения, но уже очевидно, что эти могут быть как полностью так и частично диссипируюш;ие. Венти­ ли данного класса описаны в разделе Д.6.

Приведенная классификация имеет не вполне законченный вид и не отображает в полной мере все многообразие логических вен­ тилей. В пределах каждого из видов схемотехнической организации имеются схемотехнические разновидности, реализуемые в различ­ ных структурных и приборных вариантах на различных технологи­ ческих платформах. Все эти варианты интегрального воплош;ения конечно же определяют как количество энергии так и моп];ность, необходимые для производства информации. Однако, учет всех схе­ мотехнических разновидностей и вариантов воплощения в класси­ фикационной диаграмме на рис. Д.2.1. сделал бы ее слишком слож­ ной и запутанной. Поэтому исключительно по соображениям удоб­ ства в соответствующих разделах дополнения приведены отдельные классификационные диаграммы для схем с отношением, схем без от­ ношения и токовых переключателей. Их можно рассматривать как фрагменты общей классификации.

Д.2.2. Общие вопросы энергетики цифровых вентилей

В работе любой логической схемы можно выделить четыре различ­ ных с точки зрения энергетики промежутка времени. На рис. Д.2.2 приведена эпюра изменения напряжения на выходе вентиля в зави­ симости от времени, на которой отменены эти временные интерва­ лы. На протяжении промежутков to и ti вентиль находится в неак­ тивных, так называемых, стационарных состояниях В интервалах времени tio и ^oi вентиля находится в процессе перехода из одного состояния в другое и наоборот. Именно в эти промежутки времени и происходит собственно производство информации. В стационар-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

ных режимах информационные состояния, представленные уравне­ ниями напряжений на выходе, не изменяются. Каждое из четырех состояний логических вентилей обеспечивается энергетически раз­ личным образом. Соответственно и различны затраты энергии на производство единицы информации.

Вентили-энергопотребители

\

схематические решения

Р и с . Д . 2 . 1 . Классификация цифровых вентилей.

Способы подачи энергии, конкретные механизмы ее использо­ вания и расходования различны ^\ля различных типов вентилей на протяжении выделенных выше временных интервалов процесса про­ изводства информации.

Для того чтобы систематически проанализировать энергетику производства цифровой информации во всем ее многообразии выше была проведена классификация логических вентилей как потреби­ телей электроэнергии.

Способы подачи энергии в вентили определяются прежде всего видом источника питания. Механизмы использования и расходова­ ния зависят от схемотехнической организации и видами использу­ емых компонентов вентилей. Все это и определяет классификаци-

Дополнение

онные признаки, которые помогут рассмотреть энергетику произ­ водства информации последовательно и систематически. Но вполне целесообразно рассмотреть общие J\RR всех потенциальных логиче­ ских вентилей вопросы энергетики производства информации по­ средством электронных схем.

Р и с . Д.2.2. Эпюра напряжения на выходе цифрового вентиля.

В общем случае средняя энергия ТУ^^, необходимая р^ля производ­ ства и хранения одного бита информации, может быть определена выражением:

где W^p — энергия, необходимая для представления логической «1» или энергия сохранения стационарного состояния вентиля, когда на его выходе напряжение равно f/«i»;

^ст — энергия, необходимая для представления логического «О» С/«о»; pyj~^ — энергия, необходимая для производства логического «О»,

или энергия, обеспечивающая отпирание вентиля;

W^~^ — энергия, необходимая для производства логической «1», или энергия, обеспечивающая запирание вентиля.

Энергия W^^^ обеспечивающая представление логической «1», может быть накоплена и хранится на конденсаторе Свых^ входящем в состав электронной схемы логического вентиля без отношения (вы­ ходная емкость) и тогда эта энергия будет определять величину C/«i»

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

согласно выражению:

В вентилях другого типа (вентили с отношением) сохранение данного стационарного состояния может быть обеспечено при про­ текании тока, то есть при транспорте энергии от источника через выход вентиля.

Энергия W}^^ обеспечивающая представление логического «О» может быть накоплена и храниться на конденсаторе Свх, входящем

всостав электронной схемы (входная емкость).

Ввентилях другого типа сохранение логического «О» обеспечи­ вается за счет транспорта энергии от источника энергоснабжения через открытый переключатель.

Вобоих случаях энергия необходима р^ля представления инфор­ мационного состояния логического вентиля, но механизмы ее ис­ пользования принципиально различны. Для вентилей первого ти­ па характерным является представление информации хранящейся энергией. Для вентилей второго типа представление информации сопряжено с транспортом энергии.

Транспорт электрической энергии согласно закону Джоуля-Ленца сопровождается ее превращением в тепло. И поэтому даже в стаци­ онарных состояниях от источника энергоснабжения потребляется энергия. Количества энергии ^^Qjji и VF^^ для вентилей с отношени­ ем зависят от промежутков времени ti и ^2 их пребывания в стаци­ онарных состояниях, когда информация не производится.

При производстве информации в вентилях первого типа про­ исходит накопление энергии W^^ на конденсаторе Свх и энергии W^^ на конденсаторе СвыхНакопление энергии происходит путем ее транспорта от источника энергопитания по электрическим це­ пям с паразитными резисторами и, следовательно, сопровождается джоулевыми потерями.

Стационарные компоненты W^^ и W^^ энергии в большинстве типов вентилей определяется не только необходимыми величинами напряжений C/«i» и С/«о», но также и различными паразитными эф­ фектами в электронных схемах. К таким паразитным эффектам, в значительной мере определяющим энергетику логических схем, пре­ жде всего необходимо отнести диссипацию энергии на резистивностях переключателей и соединений и из-за утечки тока через закры­ тые переключатели.

Дополнение

Важной энергетической характеристикой любого логического вентиля является скорость P{t) изменения энергии во времени:

С учетом различных мгновенных значений мощности на различ­ ных временных интервалах производства информации общее выра­ жение для энергии (Д.2.1) можно записать в следующем виде:

+j PL{t)dt+ I P^Ht)dt

^1+^10 ^1+^10+^0

где: P^^ (t) — мощность в открытом состоянии вентиля или мощ­ ность представления логического «О»;

^ст (^) — МОЩНОСТЬ В закрытом состоянии вентиля или мощ­ ность предоставления логической «1»;

^дин (^) — МОЩНОСТЬ производства логического «о»; Рст (О — мощность производства логической «1».

Стационарные составляющие мощности Р^^ и Р^^ определяет скорости расходов энергии, источником питания при представлении и хранении информации в виде уровней Ко» и V^a» соответственно. Динамические составляющие Р^^ и Р^^ определяют скорости рас­ хода энергии при производстве вентилями новой информации под воздействием входного сигнала.

Пределы интегрирования в выражении для энергии единично­ го переключения поясняются эпюрой выходного напряжения, при­ веденной на рис. Д.2.2. Выражение (Д.2.4) приближенно определя­ ет среднее значение энергии единичного переключения логическо­ го вентиля, работающего при периодически изменяющемся входном сигнале.

Общее количество энергии, потребляемой вентилем за время ра­

Эта энергия полностью диссипируется в вентилях традицион­ ной микросхемотехники и порождает проблемы теплоотвода. На

Д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

рис. д.2.3 приведена временная зависимость плотности мощности микропроцессоров, иллюстрирующая серьезность проблемы теплоотвода в цифровых устройствах. Эффективный теплоотвод необхо­ дим для термостабилизации цифровых устройств, поскольку повы­ шение температуры является основным дестабилизирующим факто­ ром при производстве информации с высокими скоростями. Поэто­ му цифровые системы характеризуются величиной предельно допу­ стимой мощности Рдоп, которая характеризует минимально возмож­ ную скорость отвода тепла от кристалла интегральной схемы.

Плотность мощности, Вт/см^ lOOOOf

Поверхность Солица

1000 +

Рис. д.2.3. Временная зависимость плотности мощности микропроцессоров.

Величина Рдоп определяется конструкцией корпуса интеграль­ ной схемы, условиями и конструктивными средствами теплоотвода.

Механизм производства информации посредством электронных схем заключается в формировании различных электрических цепей в различные временные интервалы. Электрические цепи обязатель­ но включают резисторы. Переключатели поочередно подключают выход вентиля через эти цепи то к шине питания, то к общей шине. По этим цепям протекают токи и, согласно закону Джоуля-Ленца, превраш,ается в тепло электрическая энергия, определяемая выра­ жением: