Tại sao đồng hồ nhanh hơn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn?

Nếu bạn ép xung một vi điều khiển, nó sẽ bị nóng.

Nếu bạn ép xung một vi điều khiển, nó cần nhiều điện áp hơn.

Theo một cách trừu tượng nào đó, nó có ý nghĩa: nó đang tính toán nhiều hơn, vì vậy nó cần nhiều năng lượng hơn (và không hoàn hảo, một phần năng lượng đó tiêu tan dưới dạng nhiệt).

Tuy nhiên, từ điện và cấp độ từ tính đơn thuần của Ohm cũ, chuyện gì đang xảy ra?

Tại sao tần số đồng hồ có liên quan đến tản điện hoặc điện áp?

Theo như tôi biết, tần số của AC không liên quan gì đến điện áp hoặc công suất của nó, và đồng hồ chỉ là một vị trí siêu của DC và AC (vuông). Tần suất không ảnh hưởng đến DC.

Có một số phương trình liên quan đến tần số đồng hồ và điện áp hoặc tần số đồng hồ và năng lượng?

Ý tôi là một bộ dao động tốc độ cao cần nhiều điện áp hoặc công suất hơn tốc độ thấp?

Điện áp yêu cầu bị ảnh hưởng nhiều hơn đáng kể so với tốc độ xung nhịp, nhưng bạn đã đúng, đối với tốc độ cao hơn, bạn sẽ cần điện áp cao hơn nói chung.

Tại sao tiêu thụ điện năng tăng?

Điều này phức tạp hơn nhiều so với một mạch đơn giản, nhưng bạn có thể nghĩ về nó giống với mạch RC.

Mạch RC tương đương

Tại DC một mạch RC không tiêu thụ điện năng. Ở tần số vô hạn, không thể đạt được, nhưng bạn luôn có thể giải quyết điều này về mặt lý thuyết, tụ điện hoạt động như một đoạn ngắn và bạn bị bỏ lại với một điện trở. Điều này có nghĩa là bạn có một tải đơn giản. Khi tần số giảm, các tụ điện lưu trữ và xả điện gây ra một lượng điện năng nhỏ hơn tiêu tán tổng thể.

Vi điều khiển là gì?

Bên trong nó được tạo thành từ nhiều MOSFET trong cấu hình mà chúng ta gọi là CMOS .

Nếu bạn cố gắng thay đổi giá trị của cổng MOSFET, bạn chỉ cần sạc hoặc xả tụ điện. Đây là một khái niệm tôi có một thời gian khó giải thích cho sinh viên. Các bóng bán dẫn làm rất nhiều, nhưng với chúng tôi nó chỉ trông giống như một tụ điện từ cổng. Điều này có nghĩa là trong một mô hình, CMOS sẽ luôn có tải điện dung.

Wikipedia có một hình ảnh của một biến tần CMOS tôi sẽ tham khảo.

Biến tần CMOS có đầu ra có nhãn Q. Bên trong một vi điều khiển, đầu ra của bạn sẽ điều khiển các cổng logic CMOS khác. Khi đầu vào A của bạn thay đổi từ cao xuống thấp, điện dung trên Q phải được phóng qua bóng bán dẫn ở phía dưới. Mỗi khi bạn sạc một tụ điện, bạn thấy sử dụng năng lượng. Bạn có thể thấy điều này trên wikipedia dưới sự chuyển đổi nguồn và rò rỉ .

Tại sao điện áp phải tăng lên?

Khi điện áp của bạn tăng lên, việc điều khiển điện dung đến ngưỡng logic của bạn sẽ dễ dàng hơn. Tôi biết điều này có vẻ như một câu trả lời đơn giản, nhưng nó đơn giản.

Khi tôi nói việc điều khiển điện dung dễ dàng hơn, ý tôi là nó sẽ được điều khiển giữa các ngưỡng nhanh hơn, vì sự kinh ngạc đặt nó:

Với khả năng ổ đĩa cung cấp tăng của bóng bán dẫn MOS cũng tăng (VSS lớn hơn). Điều đó có nghĩa là R thực tế từ RC giảm và đó là lý do tại sao cổng nhanh hơn.

Liên quan đến tiêu thụ điện năng, do các bóng bán dẫn nhỏ có rò rỉ lớn qua điện dung cổng, Mark đã có một chút để thêm về điều này:

kết quả điện áp cao hơn trong dòng rò cao hơn. Trong các thiết bị đếm bóng bán dẫn cao như dòng rò CPU CPU máy tính để bàn hiện đại có thể chiếm phần lớn sự tiêu hao năng lượng. khi kích thước quá trình trở nên nhỏ hơn và số lượng bóng bán dẫn tăng lên, dòng điện rò rỉ ngày càng trở thành thống kê sử dụng năng lượng quan trọng.

Nói chung, cổng CMOS chỉ sử dụng dòng điện khi chúng chuyển trạng thái. Vì vậy, tốc độ xung nhịp càng nhanh, cổng thường xuyên chuyển đổi, do đó dòng điện được chuyển đổi càng nhiều và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn.

Vâng, đó là tất cả về chuyển đổi mức logic.

Khi bất kỳ một bit nào của đầu ra thay đổi ... giá trị điện phải xoay từ cao đến thấp hoặc thấp đến cao. Điều này kéo năng lượng từ nguồn cung cấp năng lượng, hoặc đưa một số năng lượng trở lại mặt phẳng mặt đất. Nó cũng tạo ra một chút nhiệt thải do không hiệu quả.

Nếu bạn tăng tốc độ xung nhịp, bạn sẽ tăng số lượng các chuyển đổi này trên mỗi đơn vị thời gian, do đó bạn sử dụng nhiều năng lượng hơn để cung cấp các chuyển đổi mức logic này.

Yêu cầu điện áp tăng là một chút khác nhau. Thời gian cần tín hiệu để chuyển từ thấp lên cao được gọi là thời gian tăng. Để vận hành an toàn ở bất kỳ tần số nhất định, logic phải có khả năng thực hiện chuyển đổi một cách nhất quán trước khi đồng hồ tiếp theo lấy mẫu giá trị mới. Tại một thời điểm nhất định, logic sẽ không thể đáp ứng các yêu cầu về thời gian tăng của một tần số cụ thể. Đây là nơi tăng điện áp sẽ giúp ích, vì nó làm giảm thời gian tăng.

Nhiệt khá đơn giản. Con chip này được thiết kế để xử lý một lượng nhiệt nhất định được tạo ra bởi một tốc độ xung nhịp nhất định. Tăng số lần chuyển đổi bằng cách tăng tốc độ xung nhịp và bạn sẽ nhận được nhiều nhiệt thải hơn. Khi ép xung, bạn có thể dễ dàng vượt qua khả năng loại bỏ nhiệt đó của hệ thống làm mát.

Hãy nghĩ về một mạch RC cơ bản trong đó R và C song song. Mục tiêu của chúng tôi là có một đồng hồ ở đầu ra của mạch này - sóng vuông 0-5V 1KHz. Vì vậy, khi chúng ta muốn đồng hồ ở mức cao, chúng ta bật nguồn điện áp của mình và nó sạc tụ điện cho đến khi đầu ra ở mức 5V, và khi chúng ta muốn 0V, chúng ta tắt nó đi và để nó phóng điện. Thời gian sạc / xả được xác định bởi hằng số RC của mạch. Có một vấn đề - mạch không sạc đủ nhanh cho đồng hồ 1KHz. Tôi làm gì?

Chúng ta không thể thay đổi hằng số RC của mạch - nó đã được sửa. Vì vậy, chúng ta phải sạc tụ điện nhanh hơn bằng cách nào đó, nhưng vẫn có cùng điện áp sạc. Để làm điều này, chúng ta cần một mạch hoạt động theo dõi điện áp đầu ra của mạch RC và thay đổi dòng điện đi vào tụ điện để sạc nhanh hơn. Nhiều hiện tại có nghĩa là nhiều sức mạnh hơn.

Khi bạn muốn đồng hồ nhanh hơn, bạn cần sạc tụ điện nhanh hơn. Bạn sạc một tụ điện bằng cách đẩy dòng điện vào nó. Dòng điện * điện áp = công suất. Bạn cần nhiều sức mạnh hơn!

Mọi thứ trong một hệ thống kỹ thuật số được gắn với đồng hồ và mọi thứ đều có điện dung. Nếu bạn có 100 chip TTL trên một đồng hồ, nó phải lái rất nhiều dòng điện để sạc tất cả chúng, sau đó rút ra rất nhiều dòng điện để kéo chúng xuống. Lý do cơ bản mà luật ohms không nắm giữ là vì đây là những thiết bị hoạt động, không thụ động. Họ làm công việc điện để buộc đồng hồ càng gần một sóng vuông hoàn hảo nhất có thể.

Nếu bạn ép xung một vi điều khiển, nó sẽ bị nóng

Có - thay đổi nhanh hơn có nghĩa là dòng điện chạy nhiều hơn và năng lượng là điện áp * dòng điện. Ngay cả khi điện áp giữ nguyên, dòng điện sử dụng vẫn tăng, do đó tản điện nhiều hơn, tỏa nhiệt nhiều hơn.

Nếu bạn ép xung một vi điều khiển, nó cần nhiều điện áp hơn

Một phần đúng - nó cần nhiều năng lượng hơn, không nhất thiết phải nhiều điện áp. Vi điều khiển theo một cách nào đó là chuyển đổi điện áp thêm thành dòng điện hơn để đạt được nhu cầu của nó.

Theo như tôi biết, tần số của AC không liên quan gì đến điện áp hoặc công suất của nó, và đồng hồ chỉ là một vị trí siêu của DC và AC (vuông). Tần suất không ảnh hưởng đến DC.

Chỉ cho một tải thuần trở. Có rất nhiều mánh khóe xảy ra với nguồn điện xoay chiều.

Có một số phương trình liên quan đến tần số đồng hồ và điện áp hoặc tần số đồng hồ và năng lượng?

Có lẽ không phải là nhất quán, nhưng nó liên quan đến các phương trình đơn giản Q = CV, V = I * R, P = I * V

Chỉ cần nhớ: Tần số cao hơn => thời gian tăng nhanh hơn => phải lấp đầy tụ điện nhanh hơn => sạc nhiều hơn => nhiều dòng điện hơn => nhiều năng lượng hơn .

Công suất = hệ số chuyển mạch * Điện dung * (VDD ^ 2) * tần số.

Vì đồng hồ nhanh có hệ số chuyển mạch cao hơn, và tần số cũng cao hơn, do đó tiêu thụ năng lượng động cao hơn.