Чому швидший годинник потребує більшої потужності?

Якщо розігнати мікроконтролер, він нагріється.

Якщо розігнати мікроконтролер, йому потрібно більше напруги.

У деякому абстрактному сенсі це має сенс: він робить більше обчислень, тому йому потрібно більше енергії (і, будучи менш досконалим, частина цієї енергії розсіюється як тепло).

Однак із простого старого закону Ома рівень електроенергії та магнетизму, що відбувається?

Чому тактова частота має щось спільне з розсіюванням живлення або напругою?

Наскільки мені відомо, частота змінного струму не має нічого спільного з його напругою чи потужністю, а годинник - це просто суперпозиція постійного струму та (квадратного) змінного струму. Частота не впливає на постійний струм.

Чи є якесь рівняння, що стосується тактової частоти та напруги або тактової частоти та потужності?

Я маю на увазі, чи потрібно високошвидкісному осцилятору більше напруги чи потужності, ніж низькошвидкісний?

На необхідну напругу впливає значно більше, ніж тактова частота, але ви правильно, для більш високих швидкостей вам знадобиться загалом більша напруга.

Чому збільшується споживання електроенергії?

Це набагато швидше, ніж проста схема, але ви можете подумати про те, що вона схожа на ланцюг RC.

RC ланцюг еквівалентний

У постійному струмі RC ланцюг не споживає енергії. На частоті нескінченності, яка недосяжна, але ви завжди можете це вирішити теоретично, конденсатор діє як короткий, і ви залишаєтеся з резистором. Це означає, що у вас просте навантаження. Зі зменшенням частоти конденсатор запасає і розряджає потужність, викликаючи меншу кількість енергії, що розсіюється в цілому.

Що таке мікроконтролер?

Всередині він складається з безлічі багатьох MOSFET в конфігурації, яку ми називаємо CMOS .

Якщо ви намагаєтесь змінити значення затвора MOSFET, ви просто заряджаєте або розряджаєте конденсатор. Це поняття, яке мені важко пояснити студентам. Транзистор робить багато, але для нас він просто схожий на конденсатор з воріт. Це означає, що в моделі CMOS завжди буде завантажений ємність.

У Вікіпедії є зображення інвертора CMOS, на який я посилаюся.

Інвертор CMOS має вихід з міткою Q. Всередині мікроконтролера ваш вихід буде керувати іншими логічними воротами CMOS. Коли ваш вхід A змінюється з високого на низький, ємність на Q повинна бути розряджена через транзистор внизу. Кожен раз, коли ви заряджаєте конденсатор, ви бачите використання енергії. Це можна побачити на wikipedia під перемиканням живлення та витоку .

Чому напруга має зростати?

У міру збільшення напруги це полегшує приведення ємності до порогу вашої логіки. Я знаю, це здається спрощеною відповіддю, але це так просто.

Коли я кажу, що ємність є легшою, я маю на увазі, що вона буде рухатись між порогами швидше, як це сказала мазурнізація:

Зі збільшенням потужності накопичувача МОП транзистор також збільшується (більший Vgs). Це означає, що фактичний R від RC зменшується, і саме тому ворота швидші.

Щодо споживання електроенергії, через те, наскільки малі транзистори спостерігаються великі витоки через ємність затвора, Марку довелося трохи додати про це:

більша напруга призводить до збільшення струму витоку. У пристроях з високою кількістю транзисторів, таких як сучасний настільний процесор, струм витоку може спричиняти більшу частину розсіювання енергії. в міру зменшення розміру процесу і збільшення кількості транзисторів струм витоку стає все більш критичним статистичним показником використання енергії.

Як правило, ворота CMOS використовують струм лише тоді, коли вони перемикаються на стан. Отже, чим швидше тактова частота, тим частіше перемикаються ворота, тим самим перемикається більше струму і витрачається більше енергії.

Ну, це все про логічні переходи.

Коли змінюється будь-який один біт виходу ... електричне значення повинно знижуватися від високого до низького або низького до високого. Це відтягує живлення від джерела живлення або скидає частину енергії на землю. Це також генерує мало відпрацьованого тепла через неефективність.

Якщо ви збільшуєте тактову частоту, ви збільшуєте кількість цих переходів за одиницю часу, тому ви використовуєте більше енергії для живлення цих переходів логічного рівня.

Підвищені вимоги до напруги трохи відрізняються. Час, який потрібен сигналу для переходу від низького до високого, називається часом підйому. Для безпечного функціонування на будь-якій заданій частоті логіка повинна бути спроможна послідовно здійснювати цей перехід до наступного відбору проб новим значенням. У певний момент логіка не зможе задовольнити вимоги часу підйому певної частоти. Тут допоможе підвищення напруги, оскільки це зменшує час підйому.

Нагрівання досить просте. Мікросхема призначена для обробки певної кількості тепла, що генерується певною тактовою частотою. Збільште кількість переходів, збільшуючи тактову частоту, і ви збираєтеся отримувати більше відпрацьованого тепла. Під час розгону ви можете легко перевершити здатність системи охолодження відводити це тепло.

Подумайте про базовий ланцюг RC, де R і C паралельні. Наша мета - мати годинник на виході цієї схеми - квадратну хвилю 0-5V 1 КГц. Отже, коли ми хочемо, щоб годинник був високим, ми включаємо джерело напруги, і він заряджає конденсатор, поки вихід не буде на рівні 5 В, а коли ми хочемо 0 В, ми вимикаємо його і даємо йому розрядитися. Час заряду / розряду визначається RC-постійною ланцюгом. Виникла проблема - схема не заряджається досить швидко для тактової частоти 1 КГц. Що мені робити?

Ми не можемо змінити постійну RC ланцюга - це фіксовано. Таким чином, нам доведеться якось швидше заряджати конденсатор, але все-таки мати однакову напругу. Для цього нам потрібна активна схема, яка контролює вихідну напругу ланцюга RC і змінює струм, що надходить в конденсатор, щоб швидше заряджати його. Більше струм означає більше енергії.

Коли вам потрібно швидший годинник, вам потрібно швидше зарядити конденсатор. Ви заряджаєте конденсатор, натискаючи на нього струм. Струм * напруга = потужність. Вам потрібно більше енергії!

Все в цифровій системі прив’язане до годинника і все має ємність. Якщо у вас є 100 TTL мікросхем на одному годиннику, він повинен запускати багато струму, щоб зарядити їх усі, а потім намалюйте багато струму, щоб відтягнути їх. Принципова причина, що закон омів не дотримується, полягає в тому, що це активні пристрої, а не пасивні. Вони роблять електричну роботу, щоб змусити годинник бути максимально наближеним до ідеальної квадратної хвилі.

Якщо розігнати мікроконтролер, він нагріється

Так - швидша зміна означає більше струму, а потужність - напруга * струм. Навіть якщо напруга залишається однаковою, використовуваний струм збільшується, тим більше розсіювання потужності, більше тепла.

Якщо розігнати мікроконтролер, йому потрібно більше напруги

Частково правда - їй потрібно більше енергії, не обов'язково більше напруги. Мікроконтролер певним чином перетворює додаткову напругу в більш струм для досягнення своїх потреб.

Наскільки мені відомо, частота змінного струму не має нічого спільного з його напругою чи потужністю, а годинник - це просто суперпозиція постійного струму та (квадратного) змінного струму. Частота не впливає на постійний струм.

Тільки для чисто резистивного навантаження. З джерелом живлення змінного струму відбувається багато хитрощів.

Чи є якесь рівняння, що стосується тактової частоти та напруги або тактової частоти та потужності?

Можливо, це не є послідовним, але це пов'язано з простими рівняннями Q = CV, V = I * R, P = I * V

Пам'ятайте лише: більш висока частота => швидший час підйому => повинна швидше заповнювати конденсатори => більше заряду => більше струму => більше потужності .

Потужність = коефіцієнт комутації * Ємність * (VDD ^ 2) * частота.

Оскільки швидкий тактовий годинник має більший коефіцієнт комутації, а також більш високу частоту, тим більше динамічне енергоспоживання.