Цифровая электроника и её основные характеристики
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
?воичная цифровая информация представляется в виде уровней напряжений (или токов) за iет потоков энергии между полосами источников питания. При смене входной информации переключатели изменяют конфигурации цепей и соответственно потоков энергии в них. При этом происходит накопление энергии в одних компонентах и ее диссипация в других. Количество энергии, необходимое для предоставления информации и скорости накопления и диссипации энергии, определяются скоростные характеристики производства информации, определяются:
принципами действия элементарных переключателей и других
компонентов вентилей;
видами их соединения в электронных схемах вентилей и способам подключения к источникам энергии;
способами воплощения компонентов и соединений между ними и источниками энергии в интегральной структуре.
Эти факторы совместно определяют как количество энергии так и скорость ее потребления, необходимые для достижения определенной скорости обработки информации. Они тесно взаимосвязаны и трудно однозначно четко выделить их индивидуальные вклады. Тем не менее, если приоритет отдать энергетике производства информации, то логично вначале рассмотреть факторы, в первую очередь, определяющие необходимое количество энергии. С этой целью рассмотрим логические вентили как энергопотребители. Какое количество энергии необходимо для производства информации и достаточно для этого производства с заданным быстродействием - мало ответить на этот вопрос. Надо еще разобраться, как и какими средствами этого достигнуть.
Энергетика и скорость производства цифровой информации
Воплощение схемотехнических принципов в конкретные базовые элементы цифровых схем начинается с подбора элементарных переключателей. Этот выбор определяется прежде всего требованиями по быстродействию, которые предъявляются к цифровому устройству. Скорость производства информации на уровне базового логического вентиля в основном определяется принципом действия элементарного переключателя. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные типы переключателей, как элементы цифровых вентилей, главным образом определяющие скорость производства цифровой информации.
И, наконец, электронная схема должна быть реализована в виде интегральной структуры. От того, каким образом это будет выполнено, зависит скорость производства информации и цена, которую за это надо будет заплатить. Изготовление интегральных цифровых устройств дорогостоящее дело. Поэтому требования к параметрам физической структуры, к геометрическим (топологическим) размерам элементов не должна быть чрезмерно жесткими. Они должны соответствовать достигнутому уровню развития технологии. Желательно решить задачу без усложнения технологии по возможности только за iет соответствующей организации конфигурации схемы соединения компонентов и подбора вида и параметров электронных ключей. То есть схемотехническим путем. Особенности структур базовых элементов, определяющие энергетику и скоростные качества базовых вентилей будут изложены в последующих разделах дополнения.
.3 Классификация вентилей как энергопотребителей
Рассматриваемая классификация в качестве классификационных признаков использует свойства логических вентилей, характеризующих их энергетические характеристики. Первым классификационных признаком в соответствии со сказанным выше целесообразно использовать вид источников питания, из которого цифровые схемы потребляют энергию, необходимую для производства информации. По этому признаку все виды цифровых схем можно сгруппировать в три класса. К первому классу отнесены вентили, питающиеся от традиционных источников электроэнергии искусственного происхождения: вторичные источники стабилизированного напряжения, батарейки, аккумуляторы и другие. Эти источники используются для подавляющего большинства цифровых схем. Дополнение
Ко второму классу вентилей - энергопотребителей относятся вентили, которые для питания используют ионизирующее излучение. Широко известны логические вентили, питающиеся от света искусственных источников. Существуют также логические схемы работоспособные от солнечного света. Они отнесены ко второму классу. К данному классу относятся также и вентили, способные использовать энергию других источников энергии. В качестве таких источников используется фоновое радиоизлучение, сейсмическая энергия вибрации стен зданий, перепады атмосферного давления и другие. Вентили данного класса принципиально отличаются от вентилей предыдущего класса наличием встроенных преобразователей энергии. Известны также логические вентили, способные функционировать как от искусственных традиционных источников, так и от естественных источников энергии. Например, такие вентили могут питаться энергией солнечного света, а в его отсутствие - от традиционного аккумулятора. Вентили данного третьего класса принципиально отличаются от двух предыдущих наличием специальных средств, обеспечивающих изменения режима электропитания. Традиционные источники питания для передачи энергии требуют, по крайней мере, двух шин: собственно шин питания и общей шины. Шины подключаются к каждому вентилю цифрового устройства и занимают значительную часть площади кристалла. Это обстоятельство во многом определяет топологию интегральной схемы и затрудняет внутрисхемные соединения. Большая длина шин и большая площадь шин также отрицательно сказываются на надежн