機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯--邏輯門電路的高速特性
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沈陽工程學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文 ) 材 料 (外文文獻翻譯部分) 系別名稱: 信息工程系 專業(yè)班級: 通信工程通本 051 學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師: 一、目的: 1了解國外相關(guān)知識的發(fā)展; 2熟悉外文科技文獻的寫作格式及特點; 3熟悉和鞏固所學(xué)專業(yè)外語的有關(guān)知識; 4 學(xué)會中英(外)文文獻的檢索方法。 二、選題要求: 1學(xué)生自主選題,經(jīng)指導(dǎo)教師 審查合格。 2篇幅在 3000 漢字以上,較完整的一篇外文論文 3內(nèi)容與所學(xué)專業(yè)相關(guān),并注明來源。 三、 譯文要求: 1譯文正確,內(nèi)容完整,圖可以復(fù)印后貼于適當(dāng)位置。 2譯文打印在 稿復(fù)印后附在譯文后。 四、時間安排: 在畢業(yè)設(shè)計開題一周內(nèi)完成。 文獻資料詳細一覽表 學(xué)生姓名 高樹華 專業(yè) 通信工程 英語程度 其它外語 四級 指導(dǎo) 教師 黨元一 無 畢業(yè)設(shè)計題目 家庭智能系統(tǒng)的軟件設(shè)計 外文文獻來源 出版社 電子工業(yè)出版社 作者 霍華德約 翰遜 書 名 高速 數(shù)字設(shè)計 期次 2003 年 8 月第 1 版 篇 名 頁碼 37 索 容 提 要 高速電子設(shè)計全書主要結(jié)合數(shù)字和模擬電路理論,對高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計中的信號完整性進行了深入淺出的研究,高速數(shù)字設(shè)計研究無源件對信號傳播的影響、信號間的相互作用以及和外界的相互作用。 指導(dǎo)教師評審意見 第 2 章 邏輯門電路的高速特性 功率、速度和封裝是所有數(shù)字設(shè)備設(shè)計中最重要的考慮因素。每個設(shè)計者都希望功耗低、速度高并且封裝便宜。遺憾的是,沒有任何一種邏輯系列產(chǎn)品在所有這些方面讓使用者完全滿意。我們不得不在各種邏輯系列產(chǎn)品中挑選,其中每種產(chǎn)品各自在某些方面適合于某個特定的應(yīng)用。難道對多樣性的需求永遠無法滿足嗎?究竟會不會有一種適合所有需要的理想邏輯系列產(chǎn)品呢? 從歷史上看,答案是否定的。即使在一種新的技術(shù)橫掃這個領(lǐng)域、全面超 越其他競爭者的時候,用戶在各自的設(shè)計中迫切需要的優(yōu)點依然會是多種多樣的。所有的邏輯產(chǎn)品系列都是在權(quán)衡了功耗、速度和封裝之后的某種性能折衷,而且所有的邏輯電路制造商正盡力開發(fā)各式各樣的折衷方案。 讓我們來看一種年代久遠的數(shù)字技術(shù):線簧繼電器( 由此來了解這些基本的性能折衷是如何相互影響的。在被電子管取代之前,這種線簧繼電器是最后(也是最好的)一代用于邏輯設(shè)備的繼電器。 種年代久遠的數(shù)字技術(shù)的發(fā)展歷史 線簧繼電器出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 40 年代后期,用在 司的自動電話交換機上。相對于早期的繼電器,它是一個很大的科技進步。線簧繼電器的接觸元件安裝在一條細長金屬絲的末端,從而構(gòu)成了繼電器的彈簧組件。線簧繼電器尺寸小、質(zhì)量輕,并且結(jié)構(gòu)簡單,所以迅速成為那些設(shè)計中將彈簧和觸點分別組裝的傳統(tǒng)繼電器的廉價替代品。線簧技術(shù)很快掃清了競爭對手,而且直到 1965 年司制造的縱橫制電話交換機中仍然在使用線簧繼電器。 線簧繼電器技術(shù)不僅改變了繼電器結(jié)構(gòu),同時還改變了系統(tǒng)的封裝。多個新型繼電器被封裝到一個矩形模塊中,所有的電氣連接都在 模塊的一端按標(biāo)準(zhǔn)排列。這些繼電器插人標(biāo)準(zhǔn)繼電器面板的插座陣列中,肩并肩地緊密排列以節(jié)省空間。繼電器接線引腳從每個繼電器面板的背面伸出以便相互連接。 采用標(biāo)準(zhǔn)封裝的繼電器,制造商就可以在多種不同的應(yīng)用中使用統(tǒng)一的繼電器安置面板,只需在面板背面按照引腳布線的排列將它們相互連接起來。這與早期為每個裝置專門設(shè)計繼電器安裝位置的習(xí)慣形成鮮明對比,早期的設(shè)計通常由獨特的彈簧門、激勵結(jié)構(gòu)或其他機械裝置組成,使得繼電器構(gòu)造與一個數(shù)字設(shè)備的總體設(shè)計目標(biāo)及功能緊密相關(guān)。線簧繼電器設(shè)計將系統(tǒng)中的電氣部分和機械部分分隔開來,這種封 裝方式降低了整體設(shè)計與制造的成本。 標(biāo)準(zhǔn)封裝便宜,但犧牲了許多靈活性。標(biāo)準(zhǔn)封裝中只有一個 12 刀雙擲( 12繼電器。當(dāng)用戶需要使用大量單個接續(xù)操作時,就不得不把它們分別安排到多個 封裝中,從而在每個封裝中的多余部分上消耗了更多的能量。分拆使用的效率是比較低的。 因為成本原因, 們在整個設(shè)備中使用簡單的對流冷卻來保證可靠性。這些因素限制了每個繼電器封裝內(nèi)部所允許的總功耗。功率的限制以及標(biāo)準(zhǔn)封裝內(nèi)有限的空間,最終意味著以在每個封裝內(nèi)放置的驅(qū)動線圈不超過兩個。最密集的線簧繼電器結(jié)構(gòu)是一個雙 5繼電器,有兩個獨立的繼電器單元,每個單元為 5 刀雙擲。 這個繼電器由 48 V 標(biāo)準(zhǔn)電源供電,并且可以使用 750 2400 圈。為什么是兩種線圈呢? 750 圈消耗的驅(qū)動電流多,因此轉(zhuǎn)換速度比 2400 圈更快。另一方面, 2400 Q 線圈消耗的能量少,因而產(chǎn)生的熱量也少于 750 圈。由于散熱方面的優(yōu)勢, 2400 圈可以比 750 圈更密集地封裝到一起。功耗間接地決定了最大工 作速度和最大邏輯密度。 這些論點聽起來是不是很熟悉?邏輯系統(tǒng)現(xiàn)在是否仍然受限于封裝、功率和速度三者的折衷呢? 的確如此,如今我們同樣要面臨許多前輩們曾經(jīng)面對的問題。功率、速度和封裝仍然是緊密相關(guān)的。新的關(guān)于高速電路設(shè)計的折衷方式似乎是這樣的: 是減少了靈活性。采用新的封裝類型所需的初期投資非常大,因此大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員堅持使用由器件制造商所提供的封裝。 兩個因素迫使設(shè)計者將大的系統(tǒng)分拆到多個 器件封裝中。相對于封裝內(nèi)部的信號連接,封裝器件間信號連接的響應(yīng)較慢,而且需要更大的功率,因此分拆使得整個系統(tǒng)的性能降低,功耗增加。 裝的冷卻性能與放置在該封裝內(nèi)的半導(dǎo)體管芯( 無關(guān)。冷卻性能優(yōu)良的封裝總是需要花費額外的成本。 裝內(nèi)門電路的數(shù)目就可以增加。高密度的封裝有助于顯著地降低組裝成本和產(chǎn)品尺寸,但是,這通常意味著每個封裝內(nèi)部要消耗更大的總功率。每個封裝所允許的最大 功耗最終限定了每個封裝內(nèi)門電路的數(shù)目。 于高速器件通常消耗更大的功率,速度和功率在一定程度上可 以互相轉(zhuǎn)換。在最高速度下,封裝的最大功耗再一次成為一個限制因素。 率 一個邏輯器件的實際功耗與它的數(shù)據(jù)手冊上提到的典型供電電流值 造商標(biāo)定的典型功耗通常忽略了在高速條件下產(chǎn)生的額外功耗以及驅(qū)動大的輸出負載而產(chǎn)生的功耗。這些影響常常會導(dǎo)致實際的供電電流遠遠超過典型電流值 據(jù)圖 們來研究高速邏輯電路的 4 種類型的功耗。這些類型 是: 輸人功率 內(nèi)部功耗 驅(qū)動電路功耗 輸出功率 4 種功率類型中的每一種都可以進一步分為動態(tài)和靜態(tài)功耗。 圖 輯器件內(nèi)部及外圍的功耗類型 態(tài)和動態(tài)功耗 靜態(tài)功耗( 指一個電路維持在一個或另一個邏輯狀態(tài)時所需的功率。可以通過觀察電路中每個電阻元件的電流 1 和壓降 V 來計算每個元件的功率 求和得到總功率,這就是在沒有負載的情況下的靜態(tài)功耗,也就是我們通常在數(shù)據(jù)手冊上看到的標(biāo)稱值。 在后 面的例子中,通過簡單地對高速和低速狀態(tài)時的功耗取平均值的方式來計算靜態(tài)功耗。如果電路保持在某個狀態(tài)的時間比另一個狀態(tài)多,應(yīng)考慮使用加權(quán)平均法,或按最壞情況計算。 動容性負載時的動態(tài)功耗 邏輯電路每一次跳變,都要消耗超過它正常靜態(tài)功耗之外的額外功率。當(dāng)以一個恒定速率循環(huán)時,動態(tài)功耗( 于 功耗周期頻率 x 每個周期額外的功率 ( 動態(tài)功耗最常見的兩個起因是負載電容和疊加的偏置電流。 圖 動容性負載時的動態(tài)功耗 圖 1 說明了驅(qū)動一個電容負載時的情形。在 t,時刻電路開關(guān) A 閉合,電容充電至 容充電時,電流急劇涌過驅(qū)動電路的限制充電電阻。這個電流浪涌消耗了能量。在屯時刻電路開關(guān) B 閉合,電容通過驅(qū)動電路的限制放電電阻進行放電。這個電流浪涌同樣消耗了能量。如果重復(fù)這個實驗,可以發(fā)現(xiàn)電容充電消耗的能量正好等于電容放電消耗的能量,兩個能量的和等于 每個周期消耗的能量 ( 其中, C 二電容, F 電電壓, V 如果以 F 率循環(huán)運行,電容充電和放電時消耗在驅(qū)動電路中的功率等于: 功率 ( 電容器本身沒有消耗任何功率,所有的能量都被消耗在加熱驅(qū)動電路上了。無論是 路還是 路,驅(qū)動電路中的動態(tài)功耗都可以用式( 簡單模型來表述。 加偏置電流產(chǎn)生的動態(tài)功耗 在圖 , 相器的輸出驅(qū)動電路在 間交替轉(zhuǎn)換, 替處于導(dǎo)通狀態(tài),而不是兩者同時導(dǎo)通。這種電路配置有兩個激勵電路,一個把輸出電壓上拉到 在一個時鐘同步系統(tǒng)中,系統(tǒng)是在 I 和 0 之間交替跳變的,F(xiàn) 等于時鐘頻率的 1/2。在一個隨機跳變的系統(tǒng)中, F 等于時鐘頻率的 I/4o 另外一個把輸出電壓下拉到 常稱之為推拉輸出電路( 路通常都有推拉輸出電路。 肖特基 輯電路出現(xiàn)之前,一個 路從 換到 態(tài)的過程中,在晶體管 始導(dǎo)通后的一段時間內(nèi),晶體管 往還維持在飽和狀態(tài),通過電阻 放其基極上存儲的電荷?;鶚O存儲的這些電荷導(dǎo)致產(chǎn)生了一個固定時間的重疊。新的肖特基電路不再使晶體管 Q:飽和,因此產(chǎn)生的重疊電流比較少。 圖 拉輸出電路 圖 2 中描述的 路,在場效應(yīng)晶體管 間可能出現(xiàn)重疊導(dǎo)通,這取決于兩個晶體管的臨界柵一源極電壓 數(shù)的準(zhǔn)確值很大程度上取決于制造過程,因此從個別 件得到的值概 括出的經(jīng)驗是欠考慮的。圖 3 標(biāo)明了一個 74由于 緩輸人的轉(zhuǎn)換時間往往會延長重疊時間。隨著內(nèi)部電路的響應(yīng)變慢,在 導(dǎo)通時的電壓附近停留的時間會更長。 圖 4電路的直流消耗與輸入電壓 對于一個快速的輸人轉(zhuǎn)換,重疊電流脈沖的大小和波形在每個周期都是一致的,并且每個周期消耗的能量也是相同的。因此由重疊偏置電流導(dǎo)致的額外功耗與轉(zhuǎn)換速率成正比。與電容負載引起的功耗不同,由 重疊驅(qū)動電流產(chǎn)生的功耗并不隨電源電壓的平方而增大。 如圖 3 所示, 74路的重疊電流( 1 這個類型的門電路所能產(chǎn)生的最大驅(qū)動電流( 1020 比并不是很大。 對于 路,疊加效應(yīng)更顯著。如果將一個 相器的輸人端連接到它自己的輸出端,它將會自我偏置,從而進人疊加范圍內(nèi),消耗大量能量。你能感覺到電路在發(fā)熱。因此 路不適合用做線性的小信號處理器件(如振蕩器),因為它們在線性工作狀態(tài)時要消耗額外的能量。相反,工作在重疊區(qū)域的射極禍合邏輯( 路不會汲取額外的電流,可 以用做優(yōu)良的線性處理器件。 入功率 芯片的輸入功率來自于其他器件。對于輸人電路的偏置和觸發(fā)來說它是必需的。 表 較了 4 種不同邏輯系列的靜態(tài)和動態(tài)輸人特性, 4 種邏輯系列為:44 表 入特性 在每種情況下,靜態(tài)輸人功率由所需的輸人電流與電源電壓的乘積決定 。該功率包括了接收邏輯器件內(nèi)部的實際功耗與驅(qū)動器件的功耗。 對于動態(tài)輸人功率的計算,我們將輸人電容、典型輸人電壓幅度和工作頻率代人式( 這樣可以計算出任何電路驅(qū)動該輸人時的總功耗。 這些輸人功率的數(shù)值相對比較小。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有較大的扇出,或者系統(tǒng)必須在極低功率下工作的時候,它們的重要性才體現(xiàn)出來。 部功耗 內(nèi)部電源用于邏輯器件內(nèi)部節(jié)點的偏置和轉(zhuǎn)換。內(nèi)部功率包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。 靜態(tài)內(nèi)部功耗的定義是在無負載連接、輸人端處于隨機狀態(tài)的條件下的功 耗。求出所有可能的輸人狀 態(tài)的平均值可以得到靜態(tài)功耗。 內(nèi)部動態(tài)功耗常數(shù) K 動態(tài)可以通過交替輸人某個預(yù)定頻率( F)信號的方法來測量。斷開輸出引腳的連接,在周期頻率為 F 條件下測量得到總功率尸總,而后計算動態(tài)功耗常數(shù): 動態(tài)K 態(tài)總 ( 動態(tài)功耗常數(shù)表明了周期頻率每增加 1 額外消耗的功率數(shù)。功耗常數(shù) 下的總功耗: 動態(tài)靜態(tài)總 ( 式( 計了邏輯設(shè)備內(nèi)部每個周期的額外能量損耗,但不包括因負載連接所導(dǎo)致的電路驅(qū)動級的額外能量損耗。注意,我們是在無負載連接的情況下做這個實驗的。 在非常寬的頻率范圍內(nèi), 件的內(nèi)部功耗和周期頻率呈明顯的線性關(guān)系。這一關(guān)系很明顯,是因為 路的內(nèi)部靜態(tài)功耗非常低。 件也有同樣的現(xiàn)象,但其巨大的靜態(tài)功耗掩蓋了這一事實,直到周期頻率接近器件的最大工作頻率時 才顯現(xiàn)出來。圖 繪出幾種不同類型的 輯系列中每個門電路的內(nèi)部功耗與工作頻率的關(guān)系曲線。在 10 上,動態(tài)功耗遠遠大于靜態(tài)功耗,總功率曲線看起來與頻率成正比。在 1 下,動態(tài)功耗小于靜態(tài)功耗,總功耗曲線相對于頻率看上去是平坦的。 圖 個門電路的內(nèi)部功耗與頻率 與 列相比, 化稼)系列邏輯器件的開關(guān)電壓范圍更小。隨著頻率的上升,功率只有很小的增長。注意,在式( 電壓幅度 此一個電壓幅度為 的 件 驅(qū)動容量為 C 的電容時消耗在驅(qū)動電路上的能量,遠遠少于同樣負載情況下電壓幅度為 的 件。式( 式( 好顯示了這一差別。 22 ) L )(動態(tài)( 2) (動態(tài) ( 其中, F周期, 二電容, F 關(guān)電壓, V ,關(guān) 電壓, V 驅(qū)動同樣的負載電容時, 件的動態(tài)功耗與 動態(tài)功耗的比值為 )2222 動態(tài)動態(tài) ( 件的動態(tài)功耗與其靜態(tài)功耗的比值,遠遠小于 路的情況。某些 件的工作電壓范圍很寬。在這些 件的數(shù)據(jù)手冊中用等效電容 G。這一術(shù)語來表示其內(nèi)部功耗。按照這個模型,一個電源電壓為 V,工作周期頻率為 F 路,其內(nèi)部功耗為: 部功耗 ( 其中, G。二等效功耗電容, F V開關(guān)電壓, V F 二開關(guān)頻率, 個模型將內(nèi)部電容和疊加偏置電流的作用匯總到一起,雖然偏置電流的影響與電壓的平方并不是嚴(yán)格地成正比。 動電路功耗 邏輯器件中的大部分能量都被消耗在了它的輸出驅(qū)動電路上。輸出驅(qū)動電路功耗的多少取決于輸出電路的結(jié)構(gòu)、邏輯電平、輸出負載以及運行速度。這里我們討論 4 種常用輸出結(jié)構(gòu): 推拉電路輸出 射極跟隨器輸出 集電極開路輸出 電流源輸出 由于各種輸出結(jié)構(gòu)的特性對于后續(xù)章節(jié)中傳輸線的理解非常重要,因此這里要探究更多的細節(jié)。- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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