Bài giảng Điện tử căn bản - Chương 12: Năng lượng và công suất

1GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
Ch 12. Năng lượng và cơng suất
2• Đại cương
• Bộ cấp điện cho mạch điện tử, nhất là các IC có xu hướng ngày
càng nhỏ và thật nhỏ
• Muốn vậy các IC ngày càng được thiết kế theo yêu cầu tiêu thụ công
suất thật thấp.
• Xét năng lượng tiêu tán trong cổng MOSFET:
• C : điện dung dây nối
• C
GS
điện dung của cổng của tầng sau
Chúng ta xét: - công suất lúc chờ (standby)
• - công suất lúc sừ dụng
• Trước hết chúng ta xét vài thí dụ liên quan về năng lượng và công
suất
+
vo
-
+
vI
-
VS
RL
C
3I. Năng lượng và công suất của một số linh kiện
Định luật Joule
• Điện trở
• MOSFET
• ( ON) : 
2
2
( )
V
P RI VI W
R
E PT VIT J
+
- -
V
+
VR
I
H
L
vI
vI
Vs
vo
Vo
Vs
RL
RON
RL
2
S
L ON
V
P
R R 0P
(OFF)
4Mạch RC đơn giản:
Dạng sóng
• Tính năng lượng tiêu tán
trong một chu kỳ
• Tính công suất trung bình
vo
S1 đóng S1 mỏ
S2 mở S2 đóng
T1 T2 t
T
S2
+
S1
+
- -
vI C
a
b
vo
R
+
RR1
R2
51. T
1
: S
1
đóng, S
2
mở
• Giả sử v
c
= 0 tại t = 0
Vc i
Vs Vs/R
1
t t
Năng lượng tổng cộng tạo ra bởi nguồn trong suốt thời gian T
1
:
năng lượng tích trử trong C độc lập với R
1
năng lượng tiêu tán trong R
1 
1
tSV e
R
1 1
1
1 1
2
1
0 0
1
2
1 2
1
01
2
1 1
1
T T
t R Cs
s
T
t R C t R Cs
S
S
V
E V idt e dt
R
V
R Ce CV e
R
CV T R C
21
2
SCV
2
1
1
2
sE CV
Nếu ta chờ trong thời gian đủ lâu
+
-
-
Vs
+
R1
vc
C
62. T
2
: S
2
đóng, S
1
mở
• Trị ban đầu v
C
= V
S
( T
1
>>R
1
C)
Ban đầu năng lượng tích trử trong C
là = ½ (CV
S
2)
• Giả sử T
2
>>R
2
C
Tụ điện xã điện trong thời gian T
2
Năng lượng tiêu tán trong R
2
trong suốt thời gian T
2
E
1
, E
2
độc lập với R
2
.
• Năng lượng tổng cộng trong chu kỳ T (Giả sử C xã và nạp hoàn toàn)
• Công suất trung bình
2
2
1
2
SE CV
+
-
vc C R2
2 2
1 2
2
1 1
2 2
S S
S
E E E CV CV
CV
Năng lượng tiêu tán trong thời gian nạp và xã
2
2
S
s
CVE
P
T T
CV f
Tần số f = 1/T
72. Công suất trung bình trong mạch RC
Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T
1
:
p(t) = P
R1
+ P
R2
+
-
=VsRON/(RL+RON]
VTH
K+
-
Vs
C
R
RON
=RI//RONRTH
C
2 2
1 2
2 2
1 2
1 1
TH TH
S C C
t R C t R C
THS TH
V v v
p t
R R
V v e V e
R R
VTH = VSRON / (RON+R)
= VSR2/(R1+R2)
R1
R2
C
8• Tích phân cho năng lượng tiêu tán:
• Giải cho:
1
2 2
1
0
1 2
1 1
TH TH
t R C t R C
THS THt T
t
V v e V e
w dt
R R
2
1
1 1
2
1
1
2
2 22
1
2 2
2
1
2 2
2 22
1
1
2
02
1
2
02
2 2
2 2
1
2
t
TH TH
TH TH
TH TH
T
R C t R CTH TH
TH
T
t R C t R CTH
TH TH S TH TH TH
T R C T R CTH TH TH TH
TH TH
TTH
S TH TH
V R C
w t e R Ce
R
R C
V V t V e V V V R Ce
R
V R V R C
T e R Ce R C
R R
R
V V T V e
R
1 1
2
1
2
1
2
2
TH THR C T R C
S TH TH TH
TH
TH S TH TH TH
V V V R Ce
R C
V V V V R C
R
9• Tách riêng số hạng chứa T
1
, cho:
• Sắp xếp lại và đơn giản, được :
Khi T
1
>>R
TH
C, tụ điện nạp đến tri số trạng thái dừng V
TH
, và
e
-2T1/RTHC 0, w
1
đơn giản đến:
1 1
1 1
2 2
21
1
1 2
2
22
1
2
1
2
2 2
2
2 2
1
2
2
1
2
2
TH TH
TH TH
T R C T R CS TH TH
TH
TH TH
TH
T R C T R CTH
TH S TH TH TH
TH
TH S TH TH TH
V T V R C
w e R Ce
R R
V R C
R C
R C
V e V V V R Ce
R
R C
V V V V R C
R
1
2 2
21
1
1 2
1
2
THT R CS TH
V T CV
w e
R R
2 2
1 1
1 2
( )
2
S THV V Cw T I
R R
10
• Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T
2
:
• Ta có mạch điện tương đương:
• Tụ điện xã điện từ trị ban đầu V
TH
, cho:
• Công suất tiêu tán tức thời trong R
2
:
• Năng lượng tiêu thụ tương ứng:
• Khi T
2
>> R
2
C, ta còn
•
2t R C
C THv V e
vc C R2
2
2
2
2 2
1 t R CC
TH
v
p t V e
R R
2 2
2
2 2 2 2
2
2
0 0
2
2
22 22
2
02
1
1
1
2 2
T T
t R C
TH
T
T R C T R CTH
TH
w p t dt V e dt
R
V C
V R Ce e
R
2
2 ( )
2
THV Cw II
11
• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:
• (I) và (II) cho:
• Công suất trung bình cho bởi:
• Do T
1
= T/2, nên:
• Gọi: 
2 2 2
1 2 1
1 2
2
2
1
1 2
2 2
S TH TH
S
TH
V V C V C
w w w T
R R
V
T V C
R R
2 2
1
1 2
S THVw T V CP
T R R T T
2 2
1 22
S THVw V CP
T R R T
2
1 2
2
2
S
static
TH
dynamic
V
P
R R
V C
P
T
* Hết phần chứng minh
12
II. Công suất của cổng logic
• Ta xét mạch INVERTER có xung vuông tác động ngõ vào theo h. sau:
• vI
T/2 T/2
T t
Công suất tiêu tán trung bình:
1 2w wp
T
+
vo
-
+
vI
-
VS
CL
RL
13
• Năng lượng tiêu tán trong thời gian T1
• Khi ngõ va lên mức cao, MOSFET dẫn ta có mạch tương đương:
• Điện thế v
C
chuyển từ thấp lên cao:
• Tươing tự như ở đoạn trước khi T
1
>> R
TH
C
L
, ta được w
1
:
•
•
TH Lt R C
C TH S THv V V V e
+
vo
-
+
vI
-
RON
VS
CL
RL
ic
K+
-
Vs
CL
RL
RON
+
-=VsRON/(RL+RON]
VTH
CL
=RL//RONRTH
2 2 2
1 1 2
2
S S L L
L ON L ON
V V R C
w T
R R R R
14
• Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T
2
:
• Khi điện áp ngõ vào xuống thấp, MOSFET ngưng dẫn, tụ nạp cho:
• Ta có thể dẫn suất biểu thức w
2
khi T
2
>> R
L
C
L
:
•
1 L L
t R C
C TH S THv V V V e
+
vo
-
+
vI
-
VS
CL
RL
ic
ic
+
-
Vs
CL
RL
2 2
2 2
2
S L
L ON
V R
w
R R
15
• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:
• Công suất trung bình:
• Công suất trung bình là tổng của thành phần công suất tĩnh và thánh phần 
công suất động .
2 2 2 2 2
1 2 1 1 22 2
2 2 2
1 2
2 2
S S L L S L
L ON L ON L ON
S S L L
L ON L ON
V V R C V R
w w w w T w
R R R R R R
V V R C
T
R R R R
2 2 2
1
2
2 2 2
2
2
S S L L
L ON L ON
S S L L
L ON L ON
V V R Cw T
P
T R R T R R T
V V R C
R R R R T
16
• Với: 
• Lưu ý: Công suất tiên tán động tỉ lệ với tần số tín hiệu vào chuyển 
tiếp
• Không ngạc nhiên, chip chất lượng cao có xung clock tần số cao tiêu 
tán số nhiều công suất. Cũng thế, công suất tỉ lệ với bình phương 
điện thế cung cấp.
• Khi tốc độ xung clock của chip VLSI cao, xét về công suất là nguyên 
nhân các hãng sản xuất tiếp tục giảm điện thế cung cấp: Vs = 5 V là 
chuẩn những năm 80 (thế kỹ trước), 3 V vào những năm 90 và 1,5 V 
đều thay thế sau năm 2000.
• Ta xét tỉ số:
• Vì hoạt động thông thường của cổng số có T>>R
L
C
L
, chúng ta thấy 
rằng P
static 
>> P
dynamic
. Do đó, rất trở nên bức thiết để làm giảm công 
suất tĩnh(static)
•
2
2 2 2 2
2 2
2
S
static
L ON
S L L S L L
dynamic
L ON L ON
V
P
R R
V R C V R C f
P
R R T R R
2
22 2
2
2
S L ON L ONstatic
dynamic L L LS L L L ON
V R R R RP T
P R R CV R C R R T
17
• Thí dụ1:
• Cho mạch logic theo hình sau, với V
S
= 5V, R
L
= 100 k , R
ON
= 10k , C
L
= 0,01 pF, f = 10 MHz. Tính công suất tĩnh và công suất động trong trường 
hợp xấu nhất.
• Công suất tĩnh:
• Công suất tiêu tán động:
B
A
C
VS
RL
D
2
2
100 2.10 10 10 104
25
0,24 240
104
e L ON ON ON
S
static
eff
R R R R R
k
V
P mW W
R
2 2 2 2
2 2
2
2 3 12 6
2
3 3
2
5 100.10 0,01.10 10.10
100.10 4.10
2,3
S L L S L L
dynamic
L ONpd L ON ON ON
V R C f V R C f
P
R R R R R R
W
Pstatic = 10 Pdynamic
18
• Thí dụ 2:
Cho mạch Inverter thúc tải CL, 
Với VS = 1,5V, CL = 10 fF, RL >> RON, 
RLCL = 1ns < T/2 , f = 100 MHz
• Công suất tĩnh:
• Công suất tiêu tán động:
• Công suất tĩnh vẫn là thành phần ưu thế trong công suất thất thoát.
•
22
3
1,5
22,5 ,
100.10
11,25
2
S
static L ON
L
static
static
V
P W R R
R
P
P W
+
-
vI
+V Vs
1,5V
RL
100k
C
10fF
2 2
2
2
1,125
12,375
L S L
dynamic L S
L ON
static dynamic
C V R f
P C V f W
R R
P P P W
19
• Ta có:
Mod chờ(tĩnh) Mod động
độc lập với f liên hệ với
MOSFET ON tụ điện chuyển
• phân nữa thời gian mạch. (f 0, P
dynamic
= 0)
• Thí du 3 ï: Cho một chip có 106 cổng có đồng hồ 100MHz. Có C = 1 fF, R
L
= 10 
k , f = 100.106, Vs = 5 V.
•
• quá lớn, phải khử lớn, giảm Vs từ 5V 1V, 2,5W 150 mW
•
2
2
2
S
S
L
V
P CV f
R Khi RL >>RON
6 15 6
4
6
25
10 10 25 100 10
2.10
10 1,25 2,5
1,5 2,5
P
mW V
kW W
20
III. Công suất tiêu tán trong CMOS
• Do CMOS hoạt động với dòng rĩ rất nhỏ, nên xem công suát tiêu tán 
tĩnh không đáng kể. 
• Trong bán kỳ đầu, tụ tải
C
L
xã điện, và trong thời T/2
khoảng bán kỳ sau, tụ nạp
lên nguồn cung cấp Vs.
• Vì dòng tĩnh và động không
chảy đồng thời trong linh kiện T
CMOS, chúng ta có thể tính 
công suất trung bình động 
tiêu tán bằng phương pháp rất đơn giản.
 Trong thời khoảng bán kỳ tín hiệu vào thấp, một lượng điện tích 
bằng Q
L
được chuyển từ nguồn cung cấp vào tụ điện. Giả sử thời 
gian chu kỳ của tín hiệu vào đủ lớn để tụ điện nạp đến điện thế cung 
cấp điện: 
Q
L
= C
L
V
S
21
• Tiếp đo, trong thời gian bán kỳ cùng lượng điện tích chuyển tử tụ 
điện xuống mass. Thực tế, một điện tích Q
L
chuyển từ công suất 
nguồn đến mass trong mỗi chu kỳ. Môt lượng năng lượng thất thoát 
trong suốt thời gian chuyển đó cho bởi V
S
Q
L
. 
• Công suất trung bình cho:
trong đó f là tần số của tín hiệu vuông.
• Ta cũng có thể dẫn suất theo cách khác:
Công suất tiêu tán động thời gian - trung bình là tích số của điện thế 
cung cấp và dòng điện trung bình cho bởi nguồn cấp điện. Nói cách 
khác,
Trong bán kỳ mà tín hiệu vào thấp và tụ điện 
nạp qua điện trở ON của PFET
( h. )
2
S L S L S
dynamic
L S
V Q V C V
P
T T
C V f
0
1 T
dynamic sP V i t dt
T
i(t)
+ Vs
vc
C
RONp
22
• Hình sau đây mô tả vị trí tín hiệu vào ở cao (bán kỳ đầu) và tụ tải xã 
điện xuống mass qua điện trở của NFET R
ONn
• Vì công tắc kéo lên ngưng dẫn trong bán kỳ 
• đầu (khi tín hiệu vào ở mức cao).
• Lưu ý công suất cung cấp tạo nên dòng
• điện chỏ trong bán kỳ thứ hai (khi tín 
• hiệu vào ở thấp) . Do đó, công suất phóng
• thích bởi nguồn cấp điện chỉ trong thời 
• khoảng T/2 T. Do đó,
Ta có thể nhận thấy, cổng đảo CMOS không có công suất tĩnh và công 
suất động ở 100MHz là 1,125 
•
2 2
2 0
2
2
1 1
1 1
1
T T
dynamic S S
T T
T Vs
L o
S S L o
T
S L
S L S S L
dQ t
P V i t dt V dt
T T dt
C dv
V dt V C dv
T dt T
V C
V C V V C f
T T
i(t)
vo
vcC
RONn
W
23
• Thí dụ: Công suất của Microchip
• Trong thí dụ trước ta xét công suất động của cổng logic là C
L
V
S
2
f .
• Trong thí này ta xét công suất tiêu tán động của các Microchip. 
• Microprocessor RAW của MIT dùng cho IBM 180 nm, tiến trình kỹ 
thuật SA7TE có khoảng 3 triệu cổng (giả sử mổi cổng tương đưong 
cổng NAND - 2 ngõ vào) và xung clock tại 425 MHz. Giả sử mổi cổng 
có tụ điện tải gần bằng 30 nF, và nguồn cấp điện 1,5 V. Giả sử thêm có 
xấp xỉ 25% cổng đang trong chu kỳ đã cho.
• Thay thế các trị số của Microprocessor vào công thứ trên, ta có công 
suất động tiêu thụ bởi toàn chip là:
P
dyn 
=Thừa số bậc x số cổng x C
L
V
s
2
f
26 -15 60,25x 3.10 x 30.10 1,5 x 425.10
21,5W
x
24
• Thí dụ : Với C = 1 fF, Vs = 5V, f =100 MHz, 106 cổng (gate)
• Cơng suất trung bình:
• Ta cĩ thể tĩm tắt các kết quả sau: 
22 15 6
6
10 5 100.10 2,5 /
2,5 10 2,5 /
SP CV f W gate
P W W chip
Cổng f
10
6
100 MHz ~2,5 W Pentium
2.106 300 MHz ~15W PII?
2.106 600 MHz ~30W PII?
8.106 1,2 GHz ~240W PIII?
25.106 3 GHz ~1875W PIV?
P
25
• Để làm giảm công suất:
1. Giảm Vs 5V 3V 1,8V 1,5V
~ PIV 170 W tốt hơn, nhưng còn lớn
2. Tắt xung clock khi không sử dụng
3. Thay đổi Vs tuỳ thuộc vào sự cần thiết
Vs
• Cổng logic CMOS
NAND:
A
Z
B
Nối tắt khi 
A =0 hoặc B=0
Hở khi khác
trên
Nối tắt khi 
A.B đúng,
Hở khi 
ngược lại
Vs
A
Z
B
BA
.F A B A B