Appunti di Elettronica generale - Parte XVII

Appunti Elettronica Generale:

Libro Circuiti per la Microelettronica

di Sedra Smith

Parte XVII

Dissipazione di Potenza

Ciascun dispositivo dissipa per sua natura potenza elettrica, che include sia l'innalzamento netto della temperatura del circuito, sia l'ambiente. Da un punto di vista fisico, affinche' vi sia un flusso termico che esce dal circuito integrato e' necessario una variazione di temperatura, cioe' che la temperatura del circuito sia piu' elevata di quella dell'ambiente esterno; cio' implica l'esistenza di un gradiente di temperatura per avere un flusso termico. La potenza dissipata diventa proporzionale alla differenza di temperatura tra il circuito e l'ambiente esterno, tramite un coefficiente di proporzionalita detto "resistenza termica"

P_D = R_T ΔT

+ aumenta P_D -> + aumenta ΔT

Si capisce che la temperatura puo' raffreddare le caratteristiche di un dispositivo, quindi essa non deve superare determinati valori, per interdire effetti indesiderati -> non posso dissipare troppa potenza.

Dal punto di vista termico, quello che conta non e' il valore della potenza istantanea (siccome essa puo' variare molto rapidamente) ma il "valore medio" della pot. dissipata su un intervallo di tempo relativamente lungo. Questo e' il parametro che descrive l'innalzamento di temperatura.

I transistor termici sono molto piu' costosi di quelli elettrici, ragion per cui se avessi in piu' istanti due pot. diverse tra loro una molto alta, l'altra molto bassa, dal punto di vista termico tale fenomeno non viene considerato, ma funziona solo perche' una potenza passa-basso tende a considerare la sola componente continua e quindi il valore medio della pot. dissipata.

Un altro parametro e' la durata della batteria da un certo intervallo di tempo t, quindi e' l'energia che viene richiesta dal funzionamento del circuito.

E = ∫_T P_D(t)dt = T · 1/T∫_T P_D(t)dt

energia prelevata dalla batteria

In base alle condizioni dei singoli dispositivi circuitali avro' due componenti/alimboiste di pot. dissipata:

• Pot. dissipata statica, che deriva dal funzionamento in condizioni di tipo stazionario della porta logica
• Pot. dissipata dinamica, legata all'energia necessaria per far cambiare l'uscita (durante il transitorio)

La commutazione dinamica risente sempre presente in qualsiasi porta logica, anche la combinazione seriale sia nulla, quando accade dovro' necessariamente considerare la componente predominante: quella dinamica.

Poiche' una porta logica puo' essere formata da piu' dispositivi, qualora potessi calcolare la pot. dissipata devo sommare le pot. dissipate dei singoli componenti della porta logica, sfruttando il principio di conservazione dell'energia e andando determinare l'energia generata, ovvero l'energia media.

Pot. diss. media = pot. gen. media.

= Potenza media - Pot. generata media.

P_D = 1/T ∫_T V_DD I_DD dt.

V_DD tensione generatore

I_DD corrente erogata dal generatore

Dato che V_DD e' nota, devo solamente calcolare la corrente I_DD.

In condizioni stazionarie nell'uso intermedio uno solo ha possibili valori di I_DD, la quale risulta costante nel tempo, in base all'uscita prevista dell'inverter.

I_DDL = quando uscita bassa (ingresso alto)

I_DDH = quando uscita alta (= basso)

P_DL = 1/T_L ∫_TL V_DD I_DDL dt = V_DD I_DDL

pot. dissipata media con uscita bassa.

P_DH = 1/T_H ∫_TH V_DD I_DDH dt = V_DD I_DDH

pot. dissipata media con uscita alta.

Che valore bisogna considerare per un inverter?

Tuttavia, nel corso il funzionamento di un generatore invertitore che abbia in ingresso V_I ad onda quadra, che in un certo tempo T_L presenta un ingresso alto, presenti un'uscita bassa e in un certo tempo T_H presenti un valore di ingresso basso - uscita alta, ora attraversando tutti gli effetti transitori, poiche' voglio la componente statica della pot. dissipata, bisogna considerare istantaneamente cio' significa che per calcolare la pot. dissipata media devo calcolare l'integrale

P_D = 1/T ∫_T V_DD I_DD dt.

Posso eseguire l'integrale in campo aperto per gli intervalli di tempo dove gli ingressi variano anche operaz.

P_D = 1/T_L P_DL + T_H/T P_DH

LA POT. DISIPATA MEDIA RISULTA ESSERE UNA POTENZA ARITMETICA TRA Pd, Ph

=> Pd = (PL + PH) / 2     PELIE

TL = TH = T / 2 -> IN GENERE

PORTE LOGICHE CON INTERRUTTORI ISOLATI

O STILE O LOGICA A RAPPORTO

- INVERTITORE A RAPPORTO:

ALIMENTAZIONE

SEGUE TRA UNA RESISTENZA R E L'INTERRUTTORE CONTROLATO DALLA TENSIONE VI DELL'INTERRUTTORE VO, LA TENSIONE DI USCITA E IL PUNTO MEDIO DELL'INTERRUTTORE CONTROLLATO.

IL CIRCUITO DI CARICA PONE TALE INTERRUTTORE CONTROLATO VI ED ALLORA LA INVERTITORE HA UNA PROPRIA TENSIONE DI SOGLIA Vth NECESSARIA A FAR CHIUDERE L'INTERRUTTORE.

SE VI < Vth ⇒ VO = VDD

SE VI > Vth ⇒ VO = 0

I INVERTITORE CHIUSO

POI CHIUSO A QUELLO DI MASSA

INVERTITORE APERTO

(RESIST. R CON OR CORTO Idd=0)

iD = VDD / R

SE VI < Vth => VO = VDD

SE VI > Vth => VO = 0

HO OSSERVATO DURANTE IL COMPORTAMENTO DI QUESTO INVERTITORE ESSENDO INTERROTTO E' LA STESSA DELLA MODIFICA.

IL CASO CHE HO CONSIDERATO E' IL CASO DI UN ESEMPIO LOGICA COMBINATA IDEALE.

HO OTTENUTO I MASSIMI VALORI POSSIBILI: VOH = VDD VOL = 0

SE Vth = VDD/2 -> CARATTERISTICA DI UN INVERTITORE IDEALE