Interested Article - Нагрузочная способность выхода цифровой микросхемы

Нагрузочная способность — параметр выхода микросхемы , характеризуемый быстродействием и выходным током драйвера , определяющим количество подключаемых входов микросхем или прямой токовой нагрузки для подключения реле , светодиода или какого-либо другого элемента.

Происхождение термина

Рисунок 1. Структурная схема простейшего вычислительного устройства
А1 — устройство ввода
А2 — вычислительное устройство
A3 — устройство отображения информации

Термин «нагрузочная способность» в компьютерной технике возник сразу после создания первых вычислительных машин . Структурная схема простейшего вычислительного устройства представлена на рисунке 1.

В зависимости от реализации, направление тока может быть различно Речь может идти как о нагрузочной способности входа ^{[

источник не указан 3197 дней

]} , например ТТЛ логика ( англ. Fan-In ). Так и о нагрузочной способности выхода, например КМОП логика ( англ. Fan-Out ).

По принципу, приведённому на рисунке 1, построен простейший учебный аналоговый компьютер Heathkit EC-1. В качестве устройства ввода многочисленные тумблеры и коммутаторы . В качестве вычислительного устройства — работа триода , включенного так, чтобы реализовать суммирование напряжений. В качестве устройства отображения информации — вольтметр . Heathkit EC-1 представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Учебный аналоговый компьютер Heathkit EC-1

Рисунок 3. Структурная схема вычислительного устройства
A1, A2 — устройства ввода;
A3, A4 — вычислительные устройства;
A5, A6 — устройства отображения.

Реальные вычислительные машины должны были решать значительно больше задач, чем простой аналоговый компьютер . Смотрите рисунок 3.

При распределении задач между источниками и последующими блоками для обработки или отображения информации увеличилось потребление тока, что, в свою очередь, сказалось на точности вычислений аналоговых компьютеров. При совершенствовании аналоговых компьютеров пришлось вводить различные компенсационные схемы, в качестве вычислительного устройства ввели операционные усилители. Но в конечном итоге перешли на логические элементы с дискретной логикой, более устойчивой к нагрузке. Это компьютеры с двоичной логикой, работающей с логическими 0 и 1, и компьютеры с троичной логикой, использующие состояния 0, 1 и Z. При проектировании современных дискретных ЭВМ приходится учитывать нагрузочную способность логических элементов. Бесконечное подключение нагрузки либо сожжёт элемент, либо напряжение в данном участке цепи опустится до такого состояния, что работа ЭВМ станет нестабильной или неверной.

КМОП

Рассмотрим подробнее как устроен выход современной микросхемы на примере КМОП технологии (кроме КМОП также могут быть ТТЛ микросхемы, ЭСЛ или выход с открытым коллектором). На рисунке 4 показан выход КМОП. Представляет из себя два полевых транзистора вверху Р-канальный, внизу N-канальный.

Такой выход микросхемы работает следующим образом: Р-канальный транзистор постоянно закрыт, пока не подать на затвор напряжение ниже напряжения истока на определённый порог, называемым (англ.) ( . Когда P-канальный транзистор открыт, он пропускает ток от истока к стоку, в данном случае на выход и на N-канальный транзистор.

N-канальный транзистор также постоянно закрыт, пока не подать положительное пороговое напряжение относительно истока, отпирающее его. В данном случае ток пойдёт от выхода и P-канального транзистора на землю.

Если затворы транзисторов не соединены, то получается 4 возможных варианта работы данной схемы:

Все транзисторы закрыты, ток не втекает не вытекает.
Открыт только P-канальный транзистор и ток вытекает.
Открыт только N-канальный транзистор и ток втекает.
Открыты оба транзистора. В данном случае произойдёт короткое замыкание питания на землю через оба открытых транзистора и как поведёт себя выход предсказать сложно. Если транзисторы неуничтожимы, то выставится напряжение пропорционально внутреннему сопротивлению транзисторов. В реальности такой режим приводит к уничтожению транзисторов.

В зависимости от схемы включения, токовую нагрузку определяет один или оба транзистора. Если элемент подключаемый к выходу микросхемы нагружен на землю, то работает P-канальный транзистор. Если к питанию, то N-канальный.

Для повышения быстродействия N и P канальные транзисторы стараются делать комплементарной парой, то есть транзисторами с близкими характеристиками. Но в рамках одной микросхемы P-канальный транзистор геометрически получается гораздо больше N-канального. Если их делать одинаковыми физически, то N-канальный транзистор пропускает гораздо больше тока. Если выход микросхемы предназначен для управления реле или подключение светодиода, при этом скорость переключения не критичны, то включение этих элементов предполагается N-канальным транзистором, через который и пойдёт управляющий ток. P-канальный же будет просто отключать нагрузку.

При подключении микросхем друг к другу важна скорость работы, и P и N канальные транзисторы имеют схожие характеристики. Вход микросхемы аналогичен выходу. Это такой же P-N-инвертор, за исключением того, что ток, идущий внутрь, допускается меньше. Выходы микросхемы должны быть способны перезарядить совокупную ёмкость дорожек, идущих по плате, а также ёмкости затворов. С ростом количества входов, подключаемых на выход микросхемы, растёт и ёмкость. Принято эмпирическое правило, что на один выход микросхемы должно подключаться до 10 входов. На высоких скоростях тяжело соблюсти данное правило и на частотах порядка 500 МГц соединяют один выход с одним входом.