推拉輸出電路的動(dòng)態(tài)功耗

第第頁推拉輸出電路的動(dòng)態(tài)功耗設(shè)計(jì)者經(jīng)常僅僅根據(jù)所接負(fù)載的直流輸入電流要求，冒險(xiǎn)使推拉輸出電路的負(fù)載達(dá)到它的最大直流扇出能力。特別是當(dāng)設(shè)計(jì)CMOS總線時(shí)這一想法尤其具有誘惑力，因?yàn)榇藭r(shí)理論上的扇出能力是無限的。實(shí)際上重負(fù)載的總路線結(jié)構(gòu)會(huì)帶來兩個(gè)缺點(diǎn)，上升時(shí)間將會(huì)減慢，而且驅(qū)動(dòng)器件的功耗將會(huì)提高。

下例是一個(gè)重負(fù)載CMOS總線的實(shí)際上升時(shí)間和功耗計(jì)算的例子。

例：CMOS總線的性能

我們正為一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)的共享存儲(chǔ)器子系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)大型總線，如圖2.8所示?？偩€連接著20個(gè)小的CPU，其中任何一個(gè)都可能存取這個(gè)8位的隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM）。整個(gè)系統(tǒng)裝配在一個(gè)大的電路板上。

該總線是通過阻抗可控的50歐印刷電路走線來實(shí)現(xiàn)的，走線長(zhǎng)度為10IN。圖2.8顯示出總線的傳播長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于74HCT640門電路上的上升時(shí)間，因此在總線的兩端都沒有使用端接器。

根據(jù)直流扇出系數(shù)，我們預(yù)期每個(gè)總路線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能夠很容易地驅(qū)動(dòng)其他20個(gè)電路。已知每個(gè)收發(fā)器的最大傳播延遲為9NS，我們計(jì)劃使總線運(yùn)行在30NS的周期上（33MHZ）。

為了檢驗(yàn)這一設(shè)計(jì)，計(jì)算出每一條印刷線路負(fù)載電容，并分別與三態(tài)輸出的驅(qū)動(dòng)阻抗相比較，計(jì)算出總線的RC上升時(shí)間。最后計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的功耗。

負(fù)載電路

當(dāng)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換到關(guān)閉（OFF）狀態(tài)時(shí)，仍然存在負(fù)載電容。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的這一I/O負(fù)載電容在手冊(cè)中都被制造商標(biāo)明為10PF。我們有20個(gè)負(fù)載，所以負(fù)載電容總共為200PF。加上底板印刷線路的電容2PF/IN，可以得到：

74HCT640的輸出電阻

在SIGNETICS的高速CMOS數(shù)據(jù)手冊(cè)上列出了以下指標(biāo)（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管中上端的情況是最差的）：

VCC=4.5V

VOH=3.84V

I輸出=6.0MA

HCT總線驅(qū)動(dòng)器上端的輸出電阻：

RC上升時(shí)間

當(dāng)輸出從低電平轉(zhuǎn)換到高電平時(shí)，充電時(shí)間常數(shù)約等于驅(qū)動(dòng)器輸出電阻乘以輸出負(fù)載電容。

TRC=（110歐）*（220PF）=24NS

數(shù)值TRC是輸出端電壓從低電壓從低電平狀態(tài)升至高電平的63%時(shí)所需的時(shí)間。升至高電平的90%時(shí)所需的時(shí)間是TRC的兩倍多一點(diǎn)。一個(gè)簡(jiǎn)單RC電路的10~90%上升時(shí)間是RC乘積的2.2倍：

多么令人驚奇！我們本以為驅(qū)動(dòng)器的最大傳播遲為9NS，而實(shí)際的延遲變成了53NS！如果該總線運(yùn)行在33MHZ上，數(shù)據(jù)信號(hào)在下一比特到來前將沒有足夠的時(shí)間上升或下降到滿幅值。我們把總線頻率降至16MHZ，以便讓數(shù)據(jù)單元獲得更多的間隔時(shí)間。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的功耗

VCC=5.5V（最差的情況時(shí)的供電電壓）

C=220PF（負(fù)載電容）

F時(shí)鐘=16MHZ（降低后的時(shí)鐘頻率）

F數(shù)據(jù)=8MHZ（最差的數(shù)據(jù)周期，是時(shí)鐘頻率的1/2）

計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的功耗：

再乘以單個(gè)器件封裝內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目8，即可得到一個(gè)封閉器件的總功耗：

P總=8*0.053=0.424W

一片20個(gè)引腳的塑料封裝芯片