推拉输出电路的动态功耗

设计者经常仅仅根据所接负载的直流输入电流要求，冒险使推拉输出电路的负载达到它的最大直流扇出能力。特别是当设计CMOS总线时这一想法尤其具有诱惑力，因为此时理论上的扇出能力是无限的。实际上重负载的总路线结构会带来两个缺点，上升时间将会减慢，而且驱动器件的功耗将会提高。

下例是一个重负载CMOS总线的实际上升时间和功耗计算的例子。

例：CMOS总线的性能

我们正为一台并行计算机的共享存储器子系统构造一个大型总线，如图2.8所示。总线连接着20个小的CPU，其中任何一个都可能存取这个8位的随机访问存储器（RAM）。整个系统装配在一个大的电路板上。

该总线是通过阻抗可控的50欧印刷电路走线来实现的，走线长度为10IN。图2.8显示出总线的传播长度远远小于74HCT640门电路上的上升时间，因此在总线的两端都没有使用端接器。

根据直流扇出系数，我们预期每个总路线驱动器应该能够很容易地驱动其他20个电路。已知每个收发器的最大传播延迟为9NS，我们计划使总线运行在30NS的周期上（33MHZ）。

为了检验这一设计，计算出每一条印刷线路负载电容，并分别与三态输出的驱动阻抗相比较，计算出总线的RC上升时间。最后计算每个驱动器内的功耗。

负载电路

当每个驱动器转换到关闭（OFF）状态时，仍然存在负载电容。每个驱动器的这一I/O负载电容在手册中都被制造商标明为10PF。我们有20个负载，所以负载电容总共为200PF。加上底板印刷线路的电容2PF/IN，可以得到：

74HCT640的输出电阻

在SIGNETICS的高速CMOS数据手册上列出了以下指标（两个驱动晶体管中上端的情况是最差的）：

VCC=4.5V

VOH=3.84V

I输出=6.0MA

HCT总线驱动器上端的输出电阻：

RC上升时间

当输出从低电平转换到高电平时，充电时间常数约等于驱动器输出电阻乘以输出负载电容。

TRC=（110欧）*（220PF）=24NS

数值TRC是输出端电压从低电压从低电平状态升至高电平的63%时所需的时间。升至高电平的90%时所需的时间是TRC的两倍多一点。一个简单RC电路的10~90%上升时间是RC乘积的2.2倍：

多么令人惊奇！我们本以为驱动器的最大传播迟为9NS，而实际的延迟变成了53NS！如果该总线运行在33MHZ上，数据信号在下一比特到来前将没有足够的时间上升或下降到满幅值。我们把总线频率降至16MHZ，以便让数据单元获得更多的间隔时间。

每个驱动器的功耗

VCC=5.5V（最差的情况时的供电电压）

C=220PF（负载电容）

F时钟=16MHZ（降低后的时钟频率）

F数据=8MHZ（最差的数据周期，是时钟频率的1/2）

计算每个驱动器的功耗：

再乘以单个器件封装内的驱动器数目8，即可得到一个封闭器件的总功耗：

P总=8*0.053=0.424W

一片20个引脚的塑料封装芯片消耗的能量还会更多。上面例子中的总线设计是不切实际的，因为上升时间太慢，并且驱动器的功耗太高。我们必须将该总线的工作频率降低到16MHZ以下。