Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы, страница 18

Статическая мощность В одном из статических  состояний напряжение на входе обеспечивает закрытое состояние , коллекторная цепь которого присоединена к входу второго ключевого каскада . В цепь базы  протекает ток   , вызывающий расход  тепловой мощности . Транзистор  при этом должен находиться в насыщении, поэтому в его коллекторной цепи расходуется мощность  .  При не высокой степени насыщения     сопротивление цепочки   больше, чем  примерно в   раз. Поэтому расход мощности в базовой цепи меньше, чем в коллекторной во столько же раз. При переключении  под воздействием изменения  в состояние  насыщения большая часть мощности будет расходоваться в его коллекторной цепи, а   перейдёт в отсечку.

В статическом режиме потребляемая мощность определяется как средняя между открытым и закрытым состояниями. Усреднение возможно для отдельного ключа в предположении  равной  вероятности открытого и закрытого состояний. С другой стороны, возможно усреднение расходуемой мощности для пары соседних транзисторов, как на рис.2.20. В микроэлектронных схемах тепловой режим близко расположенных элементов усредняется. Кроме того, общая точка питания двух ключей определяет постоянство тока источника  при переключении, что уменьшает генерирование внутренних помех. Такой способ оценки статической потребляемой мощности применим и к более сложным видам ключей.

Динамическая мощность расходуется в процессе перехода ключевой  схемы из открытого состояния в закрытое (или наоборот). Этот процесс связан с перезарядом  неизбежных монтажных («паразитных») ёмкостей от одного статического напряжения до другого. На рис.2.22 показана монтажная ёмкость , напряжение на которой при переключении изменяется от  в режиме насыщения до .  Как отмечалось  (1.6), энергия перезаряда ёмкости инвариантна к сопротивлению резистора и составляет .  Для  интегральных схем среднего уровня интеграции  типовое напряжение питания  В. Предполагая для различной степени сложности схем величину ёмкости  пФ, определим расходуемую  энергию переключения:

 пДж.                               (2.45)

Динамическая мощность определяется частотой переключения схемы . Максимальная величина частоты  определяется длительностью переключения  как

,                                       (2.46)

где множитель 2 определяется длительностью пребывания схемы в статическом состоянии, необходимой для переключения последующей схемы – нагрузки.  Для ключевых схем среднего быстродействия нс получаем  МГц  и  оценку динамической мощности на уровне 1 – 10 мВт.  Эта величина  сопоставима со статической мощностью потребления таких схем. Следует всё же иметь в виду, что переключение с максимально возможной частотой не является типовым режимом в информационных системах и присуще только некоторым схемам, таким как генераторы тактовой частоты и т.п. Решение вопроса о статистически средней  частоте переключения связано с конкретной прикладной задачей.

Вторая причина потребления динамической мощности при переключении связана с перезарядом диффузионной ёмкости транзистора (рис.2.7). Величина  для транзисторов с граничной частотой  в несколько десятков мегагерц и средним током в несколько миллиампер достигает 100-200 пФ, однако напряжение перезаряда  в соответствии с рассмотренными в 2.1 свойствами базо-эмиттерного перехода составляет всего 100-200 мВ, в результате энергия переключения  измеряется единицами пикоджоулей  и практически всегда пренебрежима по сравнению с (2.45).

Третий вид рассеяния динамической мощности проявляется при переходе рабочей точки транзистора  через активный участок от отсечки к насыщению или наоборот. В граничных состояниях мощность  на коллекторе транзистора практически не рассеивается, поскольку  либо напряжение (насыщение), либо ток (отсечка) близки к нулю. В середине активного участка на коллекторе транзистора рассеивается максимальная мощность , которая обычно не превосходит средней статической мощности потребления      и поэтому отдельно не рассматривается.

Таким образом, при оценке энергопотребления импульсных устройств в качестве основных показателей используются средняя статическая мощность и динамическая мощность перезаряда монтажных ёмкостей.