機(jī)械專業(yè)外文文獻(xiàn)翻譯-外文翻譯--邏輯門電路的高速特性

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沈陽(yáng)工程學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論文 ) 材 料 （外文文獻(xiàn)翻譯部分） 系別名稱： 信息工程系 專業(yè)班級(jí)： 通信工程·通本 051 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 一、目的： 1．了解國(guó)外相關(guān)知識(shí)的發(fā)展； 2．熟悉外文科技文獻(xiàn)的寫作格式及特點(diǎn)； 3．熟悉和鞏固所學(xué)專業(yè)外語(yǔ)的有關(guān)知識(shí)； 4． 學(xué)會(huì)中英（外）文文獻(xiàn)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(lái)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(shí)間安排： 在畢業(yè)設(shè)計(jì)開題一周內(nèi)完成。 文獻(xiàn)資料詳細(xì)一覽表 學(xué)生姓名 高樹華 專業(yè) 通信工程 英語(yǔ)程度 其它外語(yǔ) 四級(jí) 指導(dǎo) 教師 黨元一 無(wú) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 家庭智能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 外文文獻(xiàn)來(lái)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(jì) 期次 2003 年 8 月第 1 版 篇 名 頁(yè)碼 37 索 容 提 要 高速電子設(shè)計(jì)全書主要結(jié)合數(shù)字和模擬電路理論，對(duì)高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性進(jìn)行了深入淺出的研究，高速數(shù)字設(shè)計(jì)研究無(wú)源件對(duì)信號(hào)傳播的影響、信號(hào)間的相互作用以及和外界的相互作用。 指導(dǎo)教師評(píng)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(jì)中最重要的考慮因素。每個(gè)設(shè)計(jì)者都希望功耗低、速度高并且封裝便宜。遺憾的是，沒(méi)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(gè)特定的應(yīng)用。難道對(duì)多樣性的需求永遠(yuǎn)無(wú)法滿足嗎？究竟會(huì)不會(huì)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(gè)領(lǐng)域、全面超 越其他競(jìng)爭(zhēng)者的時(shí)候，用戶在各自的設(shè)計(jì)中迫切需要的優(yōu)點(diǎn)依然會(huì)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(lái)看一種年代久遠(yuǎn)的數(shù)字技術(shù)：線簧繼電器（ 由此來(lái)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(yuǎn)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(dòng)電話交換機(jī)上。相對(duì)于早期的繼電器，它是一個(gè)很大的科技進(jìn)步。線簧繼電器的接觸元件安裝在一條細(xì)長(zhǎng)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(jiǎn)單，所以迅速成為那些設(shè)計(jì)中將彈簧和觸點(diǎn)分別組裝的傳統(tǒng)繼電器的廉價(jià)替代品。線簧技術(shù)很快掃清了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而且直到 1965 年司制造的縱橫制電話交換機(jī)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(shí)還改變了系統(tǒng)的封裝。多個(gè)新型繼電器被封裝到一個(gè)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(gè)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(lái)。這與早期為每個(gè)裝置專門設(shè)計(jì)繼電器安裝位置的習(xí)慣形成鮮明對(duì)比，早期的設(shè)計(jì)通常由獨(dú)特的彈簧門、激勵(lì)結(jié)構(gòu)或其他機(jī)械裝置組成，使得繼電器構(gòu)造與一個(gè)數(shù)字設(shè)備的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)及功能緊密相關(guān)。線簧繼電器設(shè)計(jì)將系統(tǒng)中的電氣部分和機(jī)械部分分隔開來(lái)，這種封 裝方式降低了整體設(shè)計(jì)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(gè) 12 刀雙擲（ 12繼電器。當(dāng)用戶需要使用大量單個(gè)接續(xù)操作時(shí)，就不得不把它們分別安排到多個(gè) 封裝中，從而在每個(gè)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?yàn)槌杀驹颍?們?cè)谡麄€(gè)設(shè)備中使用簡(jiǎn)單的對(duì)流冷卻來(lái)保證可靠性。這些因素限制了每個(gè)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(gè)封裝內(nèi)放置的驅(qū)動(dòng)線圈不超過(guò)兩個(gè)。最密集的線簧繼電器結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙 5繼電器，有兩個(gè)獨(dú)立的繼電器單元，每個(gè)單元為 5 刀雙擲。 這個(gè)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(dòng)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(shì)， 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(diǎn)聽起來(lái)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?cè)?jīng)面對(duì)的問(wèn)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(jì)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(jì)人員堅(jiān)持使用由器件制造商所提供的封裝。 兩個(gè)因素迫使設(shè)計(jì)者將大的系統(tǒng)分拆到多個(gè) 器件封裝中。相對(duì)于封裝內(nèi)部的信號(hào)連接，封裝器件間信號(hào)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(gè)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(wú)關(guān)。冷卻性能優(yōu)良的封裝總是需要花費(fèi)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(gè)封裝內(nèi)部要消耗更大的總功率。每個(gè)封裝所允許的最大 功耗最終限定了每個(gè)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(gè)限制因素。 率 一個(gè)邏輯器件的實(shí)際功耗與它的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(dòng)大的輸出負(fù)載而產(chǎn)生的功耗。這些影響常常會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的供電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)典型電流值 據(jù)圖 們來(lái)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(dòng)電路功耗 ．輸出功率 4 種功率類型中的每一種都可以進(jìn)一步分為動(dòng)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(dòng)態(tài)功耗 靜態(tài)功耗（ 指一個(gè)電路維持在一個(gè)或另一個(gè)邏輯狀態(tài)時(shí)所需的功率。可以通過(guò)觀察電路中每個(gè)電阻元件的電流 1 和壓降 V 來(lái)計(jì)算每個(gè)元件的功率 求和得到總功率，這就是在沒(méi)有負(fù)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(cè)上看到的標(biāo)稱值。 在后 面的例子中，通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì)高速和低速狀態(tài)時(shí)的功耗取平均值的方式來(lái)計(jì)算靜態(tài)功耗。如果電路保持在某個(gè)狀態(tài)的時(shí)間比另一個(gè)狀態(tài)多，應(yīng)考慮使用加權(quán)平均法，或按最壞情況計(jì)算。 動(dòng)容性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗 邏輯電路每一次跳變，都要消耗超過(guò)它正常靜態(tài)功耗之外的額外功率。當(dāng)以一個(gè)恒定速率循環(huán)時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗（ 于 功耗＝周期頻率 x 每個(gè)周期額外的功率 （ 動(dòng)態(tài)功耗最常見的兩個(gè)起因是負(fù)載電容和疊加的偏置電流。 圖 動(dòng)容性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗 圖 1 說(shuō)明了驅(qū)動(dòng)一個(gè)電容負(fù)載時(shí)的情形。在 t,時(shí)刻電路開關(guān) A 閉合，電容充電至 容充電時(shí)，電流急劇涌過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的限制充電電阻。這個(gè)電流浪涌消耗了能量。在屯時(shí)刻電路開關(guān) B 閉合，電容通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的限制放電電阻進(jìn)行放電。這個(gè)電流浪涌同樣消耗了能量。如果重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(gè)能量的和等于 每個(gè)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(yùn)行①，電容充電和放電時(shí)消耗在驅(qū)動(dòng)電路中的功率等于： 功率＝ （ 電容器本身沒(méi)有消耗任何功率，所有的能量都被消耗在加熱驅(qū)動(dòng)電路上了。無(wú)論是 路還是 路，驅(qū)動(dòng)電路中的動(dòng)態(tài)功耗都可以用式（ 簡(jiǎn)單模型來(lái)表述。 加偏置電流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗 在圖 ， 相器的輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)導(dǎo)通。這種電路配置有兩個(gè)激勵(lì)電路，一個(gè)把輸出電壓上拉到 ①在一個(gè)時(shí)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(shí)鐘頻率的 1/2。在一個(gè)隨機(jī)跳變的系統(tǒng)中， F 等于時(shí)鐘頻率的 I/4o 另外一個(gè)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(gè) 路從 換到 態(tài)的過(guò)程中，在晶體管 始導(dǎo)通后的一段時(shí)間內(nèi)，晶體管 往還維持在飽和狀態(tài)，通過(guò)電阻 放其基極上存儲(chǔ)的電荷?；鶚O存儲(chǔ)的這些電荷導(dǎo)致產(chǎn)生了一個(gè)固定時(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管 間可能出現(xiàn)重疊導(dǎo)通，這取決于兩個(gè)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(guò)程，因此從個(gè)別 件得到的值概 括出的經(jīng)驗(yàn)是欠考慮的。圖 3 標(biāo)明了一個(gè) 74由于 緩輸人的轉(zhuǎn)換時(shí)間往往會(huì)延長(zhǎng)重疊時(shí)間。隨著內(nèi)部電路的響應(yīng)變慢，在 導(dǎo)通時(shí)的電壓附近停留的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。 圖 4電路的直流消耗與輸入電壓 對(duì)于一個(gè)快速的輸人轉(zhuǎn)換，重疊電流脈沖的大小和波形在每個(gè)周期都是一致的，并且每個(gè)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(fù)載引起的功耗不同，由 重疊驅(qū)動(dòng)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(gè)類型的門電路所能產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)電流（ 1020 比并不是很大。 對(duì)于 路，疊加效應(yīng)更顯著。如果將一個(gè) 相器的輸人端連接到它自己的輸出端，它將會(huì)自我偏置，從而進(jìn)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(hào)處理器件（如振蕩器），因?yàn)樗鼈冊(cè)诰€性工作狀態(tài)時(shí)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(huì)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(lái)自于其他器件。對(duì)于輸人電路的偏置和觸發(fā)來(lái)說(shuō)它是必需的。 表 較了 4 種不同邏輯系列的靜態(tài)和動(dòng)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(shí)際功耗與驅(qū)動(dòng)器件的功耗。 對(duì)于動(dòng)態(tài)輸人功率的計(jì)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(jì)算出任何電路驅(qū)動(dòng)該輸人時(shí)的總功耗。 這些輸人功率的數(shù)值相對(duì)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(shí)候，它們的重要性才體現(xiàn)出來(lái)。 部功耗 內(nèi)部電源用于邏輯器件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的偏置和轉(zhuǎn)換。內(nèi)部功率包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。 靜態(tài)內(nèi)部功耗的定義是在無(wú)負(fù)載連接、輸人端處于隨機(jī)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(dòng)態(tài)功耗常數(shù) K 動(dòng)態(tài)可以通過(guò)交替輸人某個(gè)預(yù)定頻率（ F）信號(hào)的方法來(lái)測(cè)量。斷開輸出引腳的連接，在周期頻率為 F 條件下測(cè)量得到總功率尸總，而后計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗常數(shù)： ?動(dòng)態(tài)K 態(tài)總 ? （ 動(dòng)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(dòng)態(tài)靜態(tài)總 ???（ 式（ 計(jì)了邏輯設(shè)備內(nèi)部每個(gè)周期的額外能量損耗，但不包括因負(fù)載連接所導(dǎo)致的電路驅(qū)動(dòng)級(jí)的額外能量損耗。注意，我們是在無(wú)負(fù)載連接的情況下做這個(gè)實(shí)驗(yàn)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?yàn)?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(shí)，直到周期頻率接近器件的最大工作頻率時(shí) 才顯現(xiàn)出來(lái)。圖 繪出幾種不同類型的 輯系列中每個(gè)門電路的內(nèi)部功耗與工作頻率的關(guān)系曲線。在 10 上，動(dòng)態(tài)功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)功耗，總功率曲線看起來(lái)與頻率成正比。在 1 下，動(dòng)態(tài)功耗小于靜態(tài)功耗，總功耗曲線相對(duì)于頻率看上去是平坦的。 圖 個(gè)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(zhǎng)。注意，在式（ 電壓幅度 此一個(gè)電壓幅度為 的 件 驅(qū)動(dòng)容量為 C 的電容時(shí)消耗在驅(qū)動(dòng)電路上的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于同樣負(fù)載情況下電壓幅度為 的 件。式（ 式（ 好顯示了這一差別。 22 ) L ??? ）（動(dòng)態(tài)（ 2) （動(dòng)態(tài) ??（ 其中， F＝周期， 二電容， F 關(guān)電壓， V ,關(guān) 電壓， V 驅(qū)動(dòng)同樣的負(fù)載電容時(shí)， 件的動(dòng)態(tài)功耗與 動(dòng)態(tài)功耗的比值為 ))2222 ??? 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) （ 件的動(dòng)態(tài)功耗與其靜態(tài)功耗的比值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)中用等效電容 G。這一術(shù)語(yǔ)來(lái)表示其內(nèi)部功耗。按照這個(gè)模型，一個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)電路上。輸出驅(qū)動(dòng)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(fù)載以及運(yùn)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(duì)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(xì)節(jié)。