PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 13 cz. 1


Streszczenie

Wroc

Pobór mocy układów scalonych i związane z tym problemy


Jest kilka powodów, dla których problemom tym poświęca się bardzo wiele uwagi. Po pierwsze, pobór mocy przez układy i systemy scalone wraz ze wzrostem stopnia ich złożoności i szybkości działania osiągnął dziś poziom, który uniemożliwia dalszy wzrost szybkości i ogranicza wzrost złożoności. Po drugie, coraz więcej urządzeń elektronicznych to urządzenia przenośne, o bateryjnym zasilaniu, naturalne jest więc dążenie do ograniczenia poboru mocy przez te urządzenia. Po trzecie, duży pobór mocy jest zwykle równoznaczny z wysoką temperaturą pracy układu, co negatywnie wpływa na jego niezawodność.

W niektórych przypadkach bardzo mały pobór mocy jest podstawowym warunkiem użyteczności danego urządzenia, na przykład gdy jest to urządzenie elektromedyczne wszczepiane choremu człowiekowi. Takie urządzenie, na przykład stymulator serca, powinno działać przez wiele lat bez konieczności wymiany źródła zasilania, a równocześnie z oczywistych powodów nie może zawierać wielkiej i ciężkiej baterii. We wszczepialnych urządzeniach elektromedycznych wyczerpanie źródła zasilania oznacza konieczność wszczepienia całego nowego urządzenia, a więc wykonania zabiegu chirurgicznego.

Warto też wspomnieć, że w krajach wysoko uprzemysłowionych systemy elektroniczne (komputery, internet, telefonia przewodowa i komórkowa, domowy sprzęt elektroniczny itp.) konsumują obecnie 10% - 15% produkowanej w tych krajach energii elektrycznej, i procent ten rośnie. Obliczono, że gdyby w krajach Unii Europejskiej udało się obniżyć zużycie energii przez systemy elektroniczne o 30%, to rocznie dałoby to oszczędność około 100 TWh energii. Jest to mniej więcej tyle, ile wynosi całkowite roczne zużycie energii elektrycznej w Holandii, i mniej więcej 2/3 energii elektrycznej produkowanej rocznie przez elektrownie węglowe w Polsce. Obniżanie poboru mocy przez systemy elektroniczne ma więc poważne znaczenie gospodarcze.

W tym wykładzie omówione są mechanizmy poboru mocy przez układy scalone,
sposoby odprowadzania wydzielanej mocy oraz związane z poborem mocy problemy projektowania układów scalonych.

Mechanizmy poboru mocy - układy cyfrowe

Przypomnijmy (wykład 5), że prąd, jaki pobiera ze źródła zasilania statyczny inwerter CMOS (a także wszystkie inne bramki statyczne CMOS), ma dwie składowe: dynamiczną i statyczną. Składowa dynamiczna poboru prądu pojawia się, gdy zmieniają się stany logiczne. Składowa statyczna to prąd, jaki płynie w stanie ustalonym, gdy stany logiczne nie zmieniają się.

Składowa dynamiczna prądu ma dwa składniki. Pierwszy z nich związany jest z ładowaniem i rozładowywaniem pojemności obciążającej inwerter - moc związaną z tym składnikiem nazwiemy w skrócie mocą przełączania. Drugi składnik to prąd, który płynie w czasie przełączania z tego powodu, że istnieje taki zakres napięć wejściowych, dla których oba tranzystory inwertera równocześnie przewodzą. Moc związaną z tym składnikiem nazwiemy w skrócie mocą jednoczesnego przewodzenia.

Przypomnijmy (wykład 5), że przy każdej zmianie stanu powodującej naładowanie obciążającej inwerter pojemności Cl do napięcia UDD ze źródła zasilania pobierana jest energia o wartości Ec = ClUDD2. W każdym cyklu zmiany stanów na wyjściu "0"->"1"->"0" następuje jedno naładowanie i jedno rozładowanie. Jeżeli w ciągu sekundy cykli ładowanie-rozładowanie jest f, to moc Pc pobierana ze źródła zasilania jest proporcjonalna do kwadratu napięcia zasilania, pojemności obciążającej inwerter oraz częstotliwości zmian stanów logicznych, czyli - biorąc pod uwagę cały układ - do częstotliwości taktowania (wzór W5-3). Przypomnijmy także, że drugą składową dynamicznego poboru prądu jest prąd, który płynie przez tranzystory bezpośrednio ze żródła zasilania do masy w okresie, gdy w czasie przełączania oba jednocześnie przewodzą. Pobór mocy Pj związany z tym zjawiskiem jest proporcjonalny do napięcia zasilania oraz, podobnie jak w przypadku mocy Pc, proporcjonalny do częstotliwości taktowania (wzór W5-4).

Składowa statyczna prądu pobieranego przez inwerter była w dawniejszych technologiach CMOS uważana za pomijalnie małą, bowiem zarówno w stanie "0" na wejściu, jak i w stanie "1" jeden z połączonych szeregowo tranzystorów - nMOS lub pMOS - jest wyłączony. Nie oznacza to jednak, że tranzystor wyłączony w ogóle nie przewodzi prądu. Jak wiemy (wykład 3), gdy napięcie bramka-źródło UGS tranzystora jest mniejsze od napięcia progowego, płynie prąd drenu zwany prądem podprogowym. Opisuje go wzór (W3-4), który dla napięcia UGS = 0 można uprościć do postaci

wzor W13-1  (W13-1)

gdzie It jest stałą
. W starszych technologiach prąd podprogowy wyłączonego tranzystora był tak mały, że można go było zaniedbać. Jednak w technologiach, w których długość bramki jest rzędu 100 nm i mniej, napięcia progowe tranzystorów są znacznie mniejsze, niż w starszych technologiach. Skracanie kanału tranzystora zmusza do zmniejszania napięcia zasilania układu, a przy niższym napięciu zasilania niższe musi być również napięcie progowe . Posługując się wzorem (W12-1) można pokazać, że prąd podprogowy rośnie o rząd wielkości, gdy napięcie progowe maleje o wartość równą 2,3nkT/q. W temperaturze otoczenia wartość ta wynosi od 60 mV (dla n=1) do 90 mV (dla n=1,5). Stąd łatwo policzyć, że zmniejszenie napięcia progowego z wartości 0,7 ... 0,8 V (typowej dla układów o napięciu zasilania 5V) do 0,3 ... 0,4 V (typowej dla układów o napięciu zasilania rzędu 1 V) daje wzrost prądu podprogowego o 4 ... 6 rzędów wielkości, a nawet więcej. Prąd podprogowy jest wówczas na tyle duży, że związany z nim pobór mocy może stanowić znaczącą część całkowitego poboru mocy układu.

Omówione wyżej zależności odnoszą się do wszystkich bramek statycznych CMOS, nie tylko do inwerterów. Natomiast dla bramek dynamicznych, np. dla bramek typu DOMINO (wykład 5), i wszystkich innych bramek i bloków wymagających taktowania, do mocy pobieranej przez same bramki trzeba doliczyć moc związaną z taktowaniem zegarem. Sygnał zegarowy będący periodycznym ciągiem zer i jedynek powoduje przeładowywanie pojemności w układzie nawet wtedy, gdy układ nie pracuje, tj. stany logiczne w nim nie zmieniają się. W dużych układach, np. w układach mikroprocesorów, moc pobierana przez układy generowania sygnałów zegarowych oraz bufory zegara może sięgać, a nawet przekraczać 40% całej mocy dynamicznej pobieranej przez układ.

Mechanizmy poboru mocy - układy analogowe

W układach analogowych pobór prądu bezpośrednio wynika z wybranego rozwiązania układowego i wymaganych parametrów układu. Przykładowo, dla swzmacniaczy różnicowych prąd je zasilający określa wartości wzmocnienia napięciowego. W układach analogowych występuje pewna prawidłowość: układy wzmacniające są tym "szybsze", tj. mają wyższą maksymalną częstotliwość pracy lub szerokość pasma przenoszenia, im większy jest ich pobór prądu. Jest tu jakościowa (choć nie ilościowa) analogia do układów cyfrowych, w przypadku których także większa "szybkość" (częstotliwość zegara) związana jest z większym poborem prądu.

Wroc W13-2


sem. 14Z