91漫画

Zur眉ck zur Themen眉bersicht

Analysieren Sie die Abh盲ngigkeit der Leistungsaufnahme des 74HC00 von der Betriebsspannung und der Frequenz des Eingangssignals.

Schaltungen sind aus PMOS und NMOS Transistoren aufgebaut. F眉r die Erl盲uterungen zur Leistung wird ein Inverter betrachtet, der aus zwei Transistoren aufgebaut ist. Die NAND Gatter sind aus vier Transistoren aufgebaut, aber die Leistungsbetrachtungen bleiben gleich. Die Transistoren des Inverters sind so verschaltet, dass jeweils nur der PMOS oder der NMOS Transistor leitet. Wenn die Ein- und Ausgangssignale eines CMOS Gatters sich nicht 盲ndern, dann flie脽t nur ein geringer Ruhestrom. Strom wird haupts盲chlich beim Umschalten ben枚tigt. Je h枚her die Umschaltfrequenz an den Eing盲ngen, desto h枚her ist die ben枚tigte Leistung.

Abb. 1: Inverter mit Kapazit盲t als Last

In Abbildung 1 ist ein CMOS Inverter mit einer Lastkapazit盲t dargestellt. Die Lastkapazit盲t modelliert die Eing盲nge von anderen CMOS Schaltungen und die Kapazit盲ten von der Verdrahtung. Die Eing盲nge von PMOS und NMOS Transistoren sind sehr hochohmig. Deshalb ist der statische Eingangsstrom von Transistoren sehr niedrig. Die Eing盲nge von Transistoren wirken eher wie ein Kondensator. Die Eingangsspannung des Inverters Uein wechselt mit einer Frequenz f zwischen einem High- und einen Lowpegel.

Wenn am Eingang des Inverters ein Highpegel anliegt, dann sperrt der PMOS Transistor und der NMOS Transistor leitet. Der Kondensator wird entladen und die Ausgangsspannung ist 0V. Wenn dann die Eingangsspannung auf Low geht, dann leitet der PMOS Transistor, der NMOS sperrt, und der Kondensator wird auf Vdd aufgeladen. Die Ausgangsspannung ist Vdd. Die Ladung auf dem Kondensator ist dann

$Q=C V_{dd}$

Jedesmal wenn das Eingangssignal wechselt wird also die Ladung Q aus der Versorgung entnommen. Strom ist definiert als die Ladung, die pro Zeit flie脽t. Wenn das Eingangssignal mit der Frequenz $f$ wechselt, dann flie脽t pro Periode jeweils einmal die Ladung $Q$. Der Strom ist

$I=\frac{Q}{T} = f Q = f C V_{dd}$

Die Leistung ist

$P = I V_{dd} = f C V_{dd}^2$

Die Leistung aufgrund der Schaltvorg盲nge h盲ngt also quadratisch von der Betriebsspannung und linear mit der Schaltfrequenz zusammen. Auch wenn die Schaltung nicht schaltet, wird ein Ruhestrom verbraucht, der nicht von der Schaltfrequenz abh盲ngt.

Der Strom wird aus der Spannungsversorgung nicht gleichm盲脽ig abgerufen, sondern zu den Umschaltzeitpunkten flie脽t kurzzeitig ein gro脽er Strom, der nur durch den On Widerstand der Transistoren begrenzt ist. Die Versorgungsleitungen haben einen endlichen Widerstand und eine Induktivit盲t. Wenn durch die Versorgungsleitung ein hoher Strom flie脽t, dann f盲llt an dem Zuleitungswiderstand eine Spannung ab. Die Versorgungsspannung am Baustein wird dann um den Spannungsabfall am Zuleitungswiderstand reduziert. Auf der Versorgungsleitung von digitalen Schaltungen sind deshalb in der Regel hochfrequente Spannungs盲nderungen zu erwarten.

Um die Effekte zu reduzieren werden in digitalen Schaltung deshalb Block- oder St眉tzkondensatoren in der N盲he der Bausteine auf der Platine platziert. Diese Kondensatoren k枚nnen den Strom kurzfristig im Umschaltzeitpunkt liefern und so die Versorgungsspannung stabilisieren. Mit den St眉tzkondensatoren wird der Stromverlauf in der Versorgungsspannung gleichm盲脽iger.

Im Datenblatt ist in Kapitel 11 鈥淧ower Supply Recommendations鈥� die Anordnung eines solchen Blockkondensators im Layout einer Platine in der N盲he des Bausteins dargestellt.

Auf dem ZIF Board befindet sich auf der R眉ckseite ein Kondensator f眉r die Versorgungsspannung.

Nehmen Sie f眉r die Transistoren in Abbildung 1 einen On Widerstand von 100 Ohm an. Der Off Widerstand soll 1 MOhm betragen. Vdd soll 5V sein. Der Kondensator hat eine Kapazit盲t von 20pF.

• Die Eingangsspannung des Inverters ist Low. Wie gro脽 ist die Ausgangsspannung, wenn der Ausgang des Inverters mit 20 mA belastet wird?
• Nehmen Sie an, dass die Ausgangsspannung Low ist. Der Kondensator ist vollst盲ndig entladen. Wie gro脽 ist der Strom direkt nach dem Umschalten der Eingangsspannung von High nach Low?
• Nehmen Sie jetzt an, dass die Versorgungsleitung einen Widerstand von 10 Ohm hat. Auf welchen Wert 盲ndert sich die Betriebsspannung am Baustein w盲hrend des Umschaltzeitpunktes?
• Welchen durchschnittlichen Strom aus der Versorgung erwarten Sie bei einer Frequenz des Eingangssignals von 1 MHz?
• Welche Leistung ben枚tigen Sie dann?
• Welche Leistung ben枚tigen Sie, wenn in der Schaltung 100 solche Inverter sind?
• Mit welcher maximalen Taktfrequenz k枚nnen Sie das Eingangssignal bei der Messung dieser Schaltung in etwa betreiben?

Antworten: 3V, 50mA, 4,5V, 100uA, 0,5mW, 50mW, 50 MHz

Bitte notieren Sie Ihre 脺berlegungen auf einem Zettel und bringen Sie den Zettel mit ins Labor.

Sie ben枚tigen

• Das ZIF Board
• Einen 74HC00 Baustein
• Kabel zum Verdrahten des ZIF Boards
• BNC Kabel zum direkten Anschluss des Funktionsgenerators an das Oszilloskop
• Kabel BNC auf Bananenstecker klein zum Anschluss des Funktionsgenerators an das Board
• Oszilloskop mit Probes
• Netzteil
• Multimeter

• Verdrahten Sie den 74HC00 Baustein als Kettenschaltung von vier Invertern wie in T1
• Stellen Sie eine Betriebsspannung von 5 Volt ein
• Legen Sie den Eingang der Inverterkette auf Low
• Messen Sie mit dem Multimeter den statischen Strom der Versorgung
• Berechnung Sie die Ruheleistung
• F眉hren Sie die Messung f眉r 2, 3 und 4 Volt Betriebsspannung durch

• Stellen Sie eine Betriebsspannung von 5 Volt ein
• Erzeugen Sie mit dem Funktionsgenerator ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 5 MHz und geeigneten Low- und Highpegeln
• Treiben Sie den Eingang der Inverterkette mit dem Rechtecksignal
• Messen Sie den Strom aus der Versorgungsspannung
• Variieren Sie die Taktfrequenz und messen Sie jeweils den Strom
• Messen Sie den Strom bei einer fixen Taktfrequenz f眉r verschiedene Betriebsspannungen

• Stellen Sie Ihre Messergebnisse als Graph mit LibreCalc dar
• 脛ndert sich der Strom mit der Frequenz linear oder quadratisch?
• 脛ndert sich die Leistung mit der Frequenz linear oder quadratisch?
• 脛ndert sich der Strom mit der Spannung linear oder quadratisch?
• 脛ndert sich die Leistung mit der Spannung linear oder quadratisch?

Bestimmen Sie f眉r die Messungen eine Ausgleichsgerade f眉r den Strom in Abh盲ngigkeit von der Frequenz anhand der . Nutzen Sie die LibreCalc ODS Beispielkalkulation und berechnen Sie die beste Ausgleichsgerade f眉r Ihre Daten. Welche 鈥淜apazit盲t鈥� w眉rde sich anhand der Ausgleichsgeraden ergeben?

Laden Sie den hoch.