Энергия ( работа ) переключения

Из-за связи быстродействия и мощности важную роль играет параметр ЛЭ, учитывающий эти параметры совместно и называемый энергией или работой переключения. Работа переключения вычисляется как произведение потребляемой мощности на задержку распространения сигнала, т.е. равна Р*tз. (т.к. мощность – милливатты, динамичность – нс, величина Р*tз выражается в пикоджоулях).

Установим связь работы переключения с некоторыми параметрами обобщенной схемы ЛЭ с пренебрежимо малыми бесполезными потерями мощности (т.е. с малой Рст).

Общая задержка сигнала в ЛЭ физически объясняется инерционностью внутренних процессов в транзисторах и постоянными времени нагрузочных емкостей, для современных ЛЭ доминирует второй фактор).

Это позволяет изобразить ЛЭ в виде некоторой без инерционной части с RC-цепью на выходе:

1

R_вых y

Х_n С

R_вых- выходное сопротивление схемы ЛЭ и сопротивление цепей связи;

С- складывается из ёмкости нагрузки, монтажа, цепей связи и т.д.

При каждом переключении ЛЭ С перезаряжается, напряжение на ней изменяется на величину U=U¹ – U⁰.

Независимо от сопротивления цепей перезаряда, при этом затрачивается энергия:

W =

Если ЛЭ переключается с частотой f, на периоде имеется 2 переключения (в прямом и обратном направлении), и энергия, затрачиваемая в единицу времени, то есть мощность, потребляемая элементом:

Максимальная частота, с которой можно переключать элемент, связана с задержками сигналов в нем. Уменьшив задержку в некоторое число раз, можно повысить частоту переключения в то же самое число раз. Иначе: произведение максимальной частоты переключения на время задержки равно некоторой постоянной k:

или

Подставляя в выражение для Р, получим:

Видно, что работа переключения снижается с уменьшением ёмкости схемы и логического перепада U.

Поэтому для цифровых элементов справедливо: схема улучшается по критерию работы переключения с уменьшением её размеров (это снижает ёмкости) и логического перепада напряжения.