Fan-out

În electronica digitală , ventilatorul unei porți logice este numărul de porți logice care pot fi conectate la ieșirea sa.

În multe modele, porțile logice sunt conectate pentru a forma circuite mai complexe; în timp ce intrările mai multor porți sunt conectate la ieșirea unei singure porți logice, este mai puțin frecvent ca intrarea unei porți să fie conectată la mai multe ieșiri. Tehnologia utilizată pentru implementarea porților logice ne permite de obicei să conectăm intrările mai multor porți împreună fără circuite de interfață suplimentare. "Valoarea maximă a ventilatorului" la ieșirea unei uși măsoară capacitatea sa de a conduce o sarcină: este cel mai mare număr de intrări de ușă de același tip la care ieșirea poate fi conectată simultan fără pierderi excesive.

Introducere

Limitele maxime ale tranzistorului ventilator sunt stabilite în general de familia logică dată sau de fișele tehnice ale producătorului dispozitivului. Aceste limite sunt asumate presupunând că dispozitivele acționate fac parte din aceeași familie.

Când două familii logice diferite sunt interconectate, este necesar un studiu mai complex. Ventilatorul este determinat în cele din urmă de curentul maxim furnizat sau solicitat de ieșirea acestuia și de intrările conectate la acesta: dispozitivul de acționare trebuie să poată furniza sau absorbi la capetele sale de ieșire suma curenților solicitați sau furnizați (în dependență) la nivelul logic , ridicat sau scăzut al ieșirii) tuturor porților conectate, menținând în același timp tensiunea de ieșire corectă.

Pentru fiecare familie logică, intrarea „standard” este de obicei definită de producător prin curenții maximi de intrare pentru fiecare nivel logic, în plus, ventilatorul pentru o ieșire este definit ca numărul acestor intrări standard care pot fi conduse în cel mai rău caz; cu toate acestea, este posibil să conduceți mai multe intrări decât cele specificate pentru ventilare în fișele tehnice, chiar și pentru dispozitivele din aceeași familie, în cazul în care anumite dispozitive sunt conduse cu un curent mai mic decât cel al unui dispozitiv standard. Practic, capacitatea ventilatorului unui dispozitiv de a conduce (în mod fiabil) un anumit număr de intrări este determinată de suma tuturor curenților generați la un nivel logic scăzut și ca suma tuturor curenților absorbiți la nivelul înalt din aceleași dispozitive. Prin compararea acestor sume, se obține respectiv curentul maxim al dispozitivului acționat, care poate fi absorbit la un nivel scăzut și furnizat la un nivel ridicat. Dacă ambii curenți totali se încadrează în limitele stabilite pentru dispozitivul respectiv, acesta are capacitatea de ventilare DC de a conduce toate acele ieșiri în același timp, indiferent de datele furnizate de producător. Cu toate acestea, un producător corect, în cazul în care studiul curenților relevă faptul că dispozitivul nu poate conduce mai mult decât un anumit număr de intrări, va oferi valoarea precisă a ventilatorului.

Când este necesară o viteză mare de comutare a semnalului (suntem, prin urmare, în prezența semnalelor de curent alternativ), impedanța ieșirilor, a intrărilor și a conexiunilor poate reduce semnificativ capacitatea efectivă de conducere a dispozitivului. În acest caz, studiile continue nu sunt suficiente.

Teorie

Fan-out în DC

O poartă logică ideală are o impedanță de intrare infinită și o impedanță de ieșire zero, fiind astfel capabilă să conducă orice număr de alte porți logice conectate la aceasta. Cu toate acestea, deoarece tehnologiile de fabricație nu permit obținerea porților logice cu caracteristici perfecte, există o limită a numărului de porți care pot fi conectate în același timp și acest lucru se întâmplă atunci când o poartă logică de ieșire nu mai poate furniza curent porților ulterioare. . intrare. Încercarea de a face acest lucru face ca tensiunea să scadă sub nivelurile definite pentru nivelurile logice de pe legătura respectivă, rezultând erori.

Ventilatorul este pur și simplu numărul de intrări care pot fi conectate la ieșirea unei singure porți logice înainte ca curentul solicitat de porțile logice ulterioare să depășească cantitatea de curent pe care o poate furniza, menținând în același timp nivelurile logice corecte. Curenții pot fi diferiți în funcție de nivelurile logice (unul sau zero), în acest caz trebuie luat în considerare cuplul care oferă cel mai mic ventilator. Acest lucru poate fi exprimat matematic după cum urmează:

{\text{DC Fan-out}}=\operatorname {min} \left(\left\lfloor {\frac {I_{\text{out high}}}{I_{\text{in high}}}}\right\rfloor ,\left\lfloor {\frac {I_{\text{out low}}}{I_{\text{in low}}}}\right\rfloor \right)

{\ displaystyle {\ text {DC Fan-out}} = \ operatorname {min} \ left (\ left \ lfloor {\ frac {I _ {\ text {out high}}} {I _ {\ text {in high }}}} \ right \ rfloor, \ left \ lfloor {\ frac {I _ {\ text {out low}}} {I _ {\ text {in low}}}} \ right \ rfloor \ right)}

{\ text {DC Fan-out}} = \ operatorname {min} \ left (\ left \ lfloor {\ frac {I _ {{{text {out high}}}}} {I _ {{{\ text {in high}}}}}} \ right \ rfloor, \ left \ lfloor {\ frac {I _ {{\ text {out low}}}}} {I _ {{{text {in low}}} }}} \ right \ rfloor \ right)

( $\lfloor \;\rfloor$ ${\ displaystyle \ lfloor \; \ rfloor}$ $\ lfloor \; \ rfloor$ este întreaga parte ).

În urma acestui calcul, doar porțile logice TTL sunt limitate între 2 și 10 ieșiri (depinde de tipul porților care sunt ieșite), în timp ce porțile CMOS au un ventilator continuu, care este în general mai mare decât ceea ce se întâmplă în circuitele reale (de exemplu, folosind specificația NXP Semiconductor pentru seria de chips-uri CMOS HEF4000 la 25 ° C și 15 V, se obține un ventilator de 34 mii).

Fan-out în curent alternativ

Intrările pentru uși au de obicei o capacitate, precum și o rezistență văzută de la sursa de alimentare. Această capacitate va încetini comutarea la ieșirea porților anterioare și, prin urmare, va crește întârzierea propagării. Ca rezultat, se obține un ventilator variabil pe baza vitezei necesare, astfel încât proiectantul se confruntă cu problema de a găsi un compromis bun între un ventilator suficient de mare și o întârziere de propagare acceptabilă (factor care afectează viteza maximă de întregul sistem). Această problemă este mai puțin pronunțată în sistemele TTL, motiv pentru care aceste dispozitive au menținut un anumit avantaj de viteză față de dispozitivele CMOS timp de câțiva ani.

Ventilarea dinamică sau alternativă este, prin urmare, principalul factor de limitare în multe cazuri reale tocmai pentru că impune o limitare a vitezei. De exemplu, să presupunem că 3 dispozitive sunt conectate la magistrala de adrese și magistrala de date a unui microcontroler și că poate conduce capacitatea magistralei de 35 pF la frecvența maximă de ceas. Dacă fiecare dispozitiv are o capacitate de 8 pF la capetele sale, microcontrolerul rămâne cu 11 pF de capacitate de magistrală conducibilă (pistele de pe circuitele tipărite au, în general, o capacitate de aproximativ 1-2 pF pentru fiecare 2-3 cm așa că în lungimea pistei poate fi de maximum 14 cm). Dacă condiția de lungime maximă a liniei nu poate fi îndeplinită, atunci microcontrolerul, pentru a funcționa corect, va trebui să funcționeze la viteze mai mici, sau eventual semnalul va trebui încredințat unei etape tampon, caracterizată prin curenți de ieșire puternici . O valoare mare a curentului crește viteza conform legii I = C * dV / dt; cu alte cuvinte, curentul este determinat de fluxul de sarcini, astfel încât să crească viteza de curgere, în plus, tensiunea stabilită pe armături este egală cu sarcina pe ele în raport cu valoarea capacității, deci cu la un curent mai mare, tensiunea variază mai repede și acest lucru permite modulații mai rapide ale semnalului prin magistrală.

Din păcate, datorită vitezei foarte mari a dispozitivelor moderne, poate fi necesară o simulare de tip IBIS pentru o determinare precisă a ventilării dinamice, acest lucru se datorează tocmai faptului că nu este definit în fișele tehnice ale producătorului (vezi linkurile extern pentru mai multe informații).

Elemente conexe

linkuri externe

PROIECTARE DIGITALĂ DE VITEZĂ ÎNALTĂ - buletin informativ online - Vol. 8 Numărul 07 , pe sigcon.com . Adus la 16 martie 2013 (arhivat din original la 2 aprilie 2012) .