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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沈陽工程學院 畢 業(yè) 設 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 學生姓名： 指導教師： 一、目的： 1．了解國外相關知識的發(fā)展； 2．熟悉外文科技文獻的寫作格式及特點； 3．熟悉和鞏固所學專業(yè)外語的有關知識； 4． 學會中英（外）文文獻的檢索方法。 二、選題要求： 1．學生自主選題，經(jīng)指導教師 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)容與所學專業(yè)相關，并注明來源。 三、 譯文要求： 1．譯文正確，內(nèi)容完整，圖可以復印后貼于適當位置。 2．譯文打印在 稿復印后附在譯文后。 四、時間安排： 在畢業(yè)設計開題一周內(nèi)完成。 文獻資料詳細一覽表 學生姓名 高樹華 專業(yè) 通信工程 英語程度 其它外語 四級 指導 教師 黨元一 無 畢業(yè)設計題目 家庭智能系統(tǒng)的軟件設計 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)字設計 期次 2003 年 8 月第 1 版 篇 名 頁碼 37 索 容 提 要 高速電子設計全書主要結合數(shù)字和模擬電路理論，對高速數(shù)字電路系統(tǒng)設計中的信號完整性進行了深入淺出的研究，高速數(shù)字設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)字設備設計中最重要的考慮因素。每個設計者都希望功耗低、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橫掃這個領域、全面超 越其他競爭者的時候，用戶在各自的設計中迫切需要的優(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：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）一代用于邏輯設備的繼電器。 種年代久遠的數(shù)字技術的發(fā)展歷史 線簧繼電器出現(xiàn)在 20 世紀 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，從而構成了繼電器的彈簧組件。線簧繼電器尺寸小、質量輕，并且結構簡單，所以迅速成為那些設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。 線簧繼電器技術不僅改變了繼電器結構，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 模塊的一端按標準排列。這些繼電器插人標準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。 采用標準封裝的繼電器，制造商就可以在多種不同的應用中使用統(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計繼電器安裝位置的習慣形成鮮明對比，早期的設計通常由獨特的彈簧門、激勵結構或其他機械裝置組成，使得繼電器構造與一個數(shù)字設備的總體設計目標及功能緊密相關。線簧繼電器設計將系統(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計與制造的成本。 標準封裝便宜，但犧牲了許多靈活性。標準封裝中只有一個 12 刀雙擲（ 12繼電器。當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。功率的限制以及標準封裝內(nèi)有限的空間，最終意味著以在每個封裝內(nèi)放置的驅動線圈不超過兩個。最密集的線簧繼電器結構是一個雙 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 標準電源供電，并且可以使用 750 2400 圈。為什么是兩種線圈呢？ 750 圈消耗的驅動電流多，因此轉換速度比 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的。新的關于高速電路設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)的半導體管芯（ 無關。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動大的輸出負載而產(chǎn)生的功耗。這些影響常常會導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，應考慮使用加權平均法，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 說明了驅動一個電容負載時的情形。在 t,時刻電路開關 A 閉合，電容充電至 容充電時，電流急劇涌過驅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 B 閉合，電容通過驅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①，電容充電和放電時消耗在驅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動電路上了。無論是 路還是 路，驅動電路中的動態(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 ， 相器的輸出驅動電路在 間交替轉換， 替處于導通狀態(tài)，而不是兩者同時導通。這種電路配置有兩個激勵電路，一個把輸出電壓上拉到 ①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，在場效應晶體管 間可能出現(xiàn)重疊導通，這取決于兩個晶體管的臨界柵一源極電壓 數(shù)的準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 標明了一個 74由于 緩輸人的轉換時間往往會延長重疊時間。隨著內(nèi)部電路的響應變慢，在 導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致的額外功耗與轉換速率成正比。與電容負載引起的功耗不同，由 重疊驅動電流產(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)生的最大驅動電流（ 1020 比并不是很大。 對于 路，疊加效應更顯著。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。只有當網(wǎng)絡有較大的扇出，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①。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致的電路驅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系。這一關系很明顯，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 驅動容量為 C 的電容時消耗在驅動電路上的能量，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 關電壓， V ,關 電壓， V 驅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①的數(shù)據(jù)手冊中用等效電容 G。這一術語來表示其內(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＝開關電壓， V F 二開關頻率， 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動電路上。輸出驅動電路功耗的多少取決于輸出電路的結構、邏輯電平、輸出負載以及運行速度。這里我們討論 4 種常用輸出結構： ．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 由于各種輸出結構的特性對于后續(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)。