74HC00 Leistung

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Analysieren Sie die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des 74HC00 von der Betriebsspannung und der Frequenz des Eingangssignals.

CMOS Schaltungen sind aus PMOS und NMOS Transistoren aufgebaut. Für die Erläuterungen 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 ändern, dann fließt nur ein geringer Ruhestrom. Strom wird hauptsächlich beim Umschalten benötigt. Je höher die Umschaltfrequenz an den Eingängen, desto höher ist die benötigte Leistung.

Abb. 1: Inverter mit Kapazität als Last

In Abbildung 1 ist ein CMOS Inverter mit einer Lastkapazität dargestellt. Die Lastkapazität modelliert die Eingänge von anderen CMOS Schaltungen und die Kapazitäten von der Verdrahtung. Die Eingänge von PMOS und NMOS Transistoren sind sehr hochohmig. Deshalb ist der statische Eingangsstrom von Transistoren sehr niedrig. Die Eingänge 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 fließt. Wenn das Eingangssignal mit der Frequenz $f$ wechselt, dann fließt 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 Schaltvorgänge hängt 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 abhängt.

Der Strom wird aus der Spannungsversorgung nicht gleichmäßig abgerufen, sondern zu den Umschaltzeitpunkten fließt kurzzeitig ein großer Strom, der nur durch den On Widerstand der Transistoren begrenzt ist. Die Versorgungsleitungen haben einen endlichen Widerstand und eine Induktivität. Wenn durch die Versorgungsleitung ein hoher Strom fließt, dann fällt 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 Spannungsänderungen zu erwarten.

Um die Effekte zu reduzieren werden in digitalen Schaltung deshalb Block- oder Stützkondensatoren in der Nähe der Bausteine auf der Platine platziert. Diese Kondensatoren können den Strom kurzfristig im Umschaltzeitpunkt liefern und so die Versorgungsspannung stabilisieren. Mit den Stützkondensatoren wird der Stromverlauf in der Versorgungsspannung gleichmäßiger.

Im Datenblatt ist in Kapitel 11 “Power Supply Recommendations” die Anordnung eines solchen Blockkondensators im Layout einer Platine in der Nähe des Bausteins dargestellt.

Auf dem ZIF Board befindet sich auf der Rückseite ein Kondensator für die Versorgungsspannung.

a) Nehmen Sie für 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 Kapazität von 20pF.

Die Eingangsspannung des Inverters ist Low. Wie groß ist die Ausgangsspannung, wenn der Ausgang des Inverters mit 20 mA belastet wird?
Nehmen Sie an, dass die Ausgangsspannung Low ist. Der Kondensator ist vollständig entladen. Wie groß 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 ändert sich die Betriebsspannung am Baustein während des Umschaltzeitpunktes?
Welchen durchschnittlichen Strom aus der Versorgung erwarten Sie bei einer Frequenz des Eingangssignals von 1 MHz?
Welche Leistung benötigen Sie dann?
Welche Leistung benötigen Sie, wenn in der Schaltung 100 solche Inverter sind?
Mit welcher maximalen Taktfrequenz können Sie das Eingangssignal bei der Messung der Schaltung in Abbildung 1 in etwa betreiben?

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

b) Mit welcher Frequenz können Sie den Eingang der Kettenschaltung von vier Invertern mit dem 74HC00 IC für die Messung des Stroms maximal betreiben?

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

Sie benötigen

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
Führen Sie die Messung für 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 für verschiedene Betriebsspannungen

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

Bestimmen Sie für die Messungen eine Ausgleichsgerade für den Strom in Abhängigkeit von der Frequenz anhand der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Nutzen Sie die LibreCalc ODS Beispielkalkulation und berechnen Sie die beste Ausgleichsgerade für Ihre Daten. Welche “Kapazität” würde sich anhand der Ausgleichsgeraden ergeben?

Laden Sie den Untersuchungsbericht Leistungsaufnahme NAND in Moodle hoch.