ทำไมนาฬิกาที่เร็วกว่าจึงต้องการพลังงานมากกว่า

ถ้าคุณโอเวอร์คล็อกไมโครคอนโทรลเลอร์มันจะร้อนขึ้น

หากคุณโอเวอร์คล็อกไมโครคอนโทรลเลอร์มันต้องการแรงดันไฟฟ้ามากกว่า

ในทางที่เป็นนามธรรมมันก็สมเหตุสมผล: มันกำลังทำการคำนวณมากขึ้นดังนั้นมันจึงต้องการพลังงานมากขึ้น (และมีพลังงานน้อยกว่าที่สมบูรณ์แบบ

อย่างไรก็ตามจากกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กดึงดูดใจระดับกฎของโอห์มสิ่งที่เกิดขึ้นคืออะไร?

ทำไมความถี่สัญญาณนาฬิกาถึงเกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงานหรือแรงดันไฟฟ้า

เท่าที่ฉันรู้ความถี่ของ AC นั้นไม่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้าและนาฬิกาเป็นเพียงตำแหน่งที่ยอดเยี่ยมของ DC และ AC (สี่เหลี่ยม) ความถี่ไม่ส่งผลกระทบต่อ DC

มีสมการเกี่ยวกับความถี่สัญญาณนาฬิกาและแรงดันไฟฟ้าหรือความถี่สัญญาณนาฬิกาและกำลังงานบ้างไหม?

ฉันหมายถึงออสซิลเลเตอร์ความเร็วสูงต้องการแรงดันไฟฟ้าหรือพลังงานมากกว่าความเร็วต่ำหรือไม่?

แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการนั้นได้รับผลกระทบมากกว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาอย่างมาก แต่คุณถูกต้องสำหรับความเร็วที่สูงขึ้นคุณจะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าโดยทั่วไป

ทำไมการใช้พลังงานจึงเพิ่มขึ้น?

นี่มันยุ่งกว่าวงจรง่าย ๆ แต่คุณอาจคิดว่ามันคล้ายกับวงจร RC

วงจร RC เทียบเท่ากัน

ที่ DC นั้นวงจร RC ไม่สิ้นเปลืองพลังงาน ที่ความถี่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งไม่สามารถทำได้ แต่คุณสามารถแก้ปัญหานี้ได้ในทางทฤษฎีตัวเก็บประจุทำหน้าที่สั้นและคุณจะเหลือตัวต้านทาน ซึ่งหมายความว่าคุณมีภาระง่าย เมื่อความถี่ลดลงตัวเก็บประจุและจ่ายพลังงานก็จะทำให้พลังงานโดยรวมลดลง

ไมโครคอนโทรลเลอร์คืออะไร?

ภายในมันถูกสร้างขึ้นจากหลายMOSFETsในการกำหนดค่าที่เราเรียกCMOS

หากคุณพยายามที่จะเปลี่ยนค่าของเกตของ MOSFET คุณเพียงแค่ทำการชาร์จหรือคลายประจุตัวเก็บประจุ นี่เป็นแนวคิดที่ฉันอธิบายให้นักเรียนฟังได้ยาก ทรานซิสเตอร์ทำอะไรได้มากมาย แต่สำหรับเรามันดูเหมือนกับตัวเก็บประจุจากประตู ซึ่งหมายความว่าในรูปแบบที่ CMOS มักจะมีภาระความจุ

Wikipedia มีภาพของตัวแปลงกระแสไฟฟ้าแบบ CMOS ฉันจะอ้างอิง

อินเวอร์เตอร์ CMOS มีเอาต์พุตที่มีป้ายกำกับ Q. ภายในไมโครคอนโทรลเลอร์เอาต์พุตของคุณจะขับประตูตรรกะ CMOS อื่น ๆ เมื่ออินพุต A ของคุณเปลี่ยนจากสูงไปต่ำความจุของ Q ต้องถูกปลดปล่อยผ่านทรานซิสเตอร์ที่ด้านล่าง ทุกครั้งที่คุณชาร์จตัวเก็บประจุคุณจะเห็นการใช้พลังงาน คุณสามารถดูนี้ในวิกิพีเดียภายใต้การเปลี่ยนพลังงานและการรั่วไหล

ทำไมแรงดันไฟฟ้าถึงสูงขึ้น

เมื่อคุณเพิ่มแรงดันไฟฟ้ามันจะทำให้การขับประจุไปยังเกณฑ์ของตรรกะของคุณง่ายขึ้น ฉันรู้ว่าสิ่งนี้ดูเหมือนจะเป็นคำตอบที่ง่าย แต่มันก็ง่าย

เมื่อฉันบอกว่ามันง่ายกว่าในการขับเคลื่อนความจุฉันหมายถึงมันจะถูกขับเคลื่อนระหว่างขีด จำกัด ที่เร็วกว่าดังที่ mazurnification ใส่ไว้:

ด้วยความสามารถในการจ่ายไดรฟ์ที่เพิ่มขึ้นของทรานซิสเตอร์ MOS ก็เพิ่มขึ้น (Vgs ที่ใหญ่กว่า) นั่นหมายความว่าค่า R ที่แท้จริงจาก RC ลดลงและนั่นเป็นสาเหตุที่เกทเร็วขึ้น

ในความสัมพันธ์กับการใช้พลังงานเนื่องจากทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กมีการรั่วไหลผ่านความจุของประตูมากมาร์คมีบิตเพิ่มเกี่ยวกับเรื่องนี้:

แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นส่งผลให้กระแสรั่วไหลสูงขึ้น ในอุปกรณ์ที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์สูงเช่นกระแสซีพียูเดสก์ทอปที่ทันสมัยกระแสไฟฟ้าสามารถทำลายพลังงานส่วนใหญ่ได้ เมื่อขนาดของกระบวนการเล็กลงและจำนวนทรานซิสเตอร์เพิ่มสูงขึ้นกระแสไฟรั่วจะกลายเป็นสถิติการใช้พลังงานที่สำคัญยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ

โดยทั่วไปแล้ว CMOS เกตส์จะใช้กระแสเมื่อสลับสถานะเท่านั้น ดังนั้นความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่เร็วขึ้นก็จะยิ่งสลับประตูบ่อยขึ้นดังนั้นจึงเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นและใช้พลังงานมากขึ้น

มันเกี่ยวกับการเปลี่ยนระดับตรรกะ

เมื่อใดก็ตามที่บิตของเอาต์พุตเปลี่ยน ... ค่าไฟฟ้าจะต้องถูกฆ่าจากสูงไปต่ำหรือต่ำไปสูง สิ่งนี้ดึงพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟหรือทิ้งพลังงานบางส่วนลงบนระนาบพื้น มันยังสร้างความร้อนเหลือทิ้งเพียงเล็กน้อยเนื่องจากความไร้ประสิทธิภาพ

หากคุณเพิ่มอัตรานาฬิกาคุณจะเพิ่มจำนวนการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ต่อหน่วยเวลาดังนั้นคุณจึงใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อป้อนการเปลี่ยนระดับตรรกะเหล่านี้

ความต้องการแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นนั้นแตกต่างกันเล็กน้อย เวลาที่ใช้สัญญาณในการเปลี่ยนจากต่ำไปสูงเรียกว่าเวลาที่เพิ่มขึ้น เพื่อความปลอดภัยในการทำงานที่ความถี่ที่กำหนดลอจิกจะต้องสามารถทำการเปลี่ยนแปลงนี้ได้อย่างต่อเนื่องก่อนที่นาฬิกาถัดไปจะเก็บค่าใหม่ ณ จุดหนึ่งตรรกะจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการเวลาเพิ่มขึ้นของความถี่ที่เฉพาะเจาะจง นี่คือที่ upping แรงดันไฟฟ้าจะช่วยในขณะที่มันลดเวลาการเพิ่มขึ้น

ความร้อนค่อนข้างง่าย ชิปได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการกับปริมาณความร้อนที่เกิดจากอัตรานาฬิกาที่แน่นอน เพิ่มจำนวนช่วงการเปลี่ยนภาพโดยการเพิ่มอัตรานาฬิกาและคุณจะได้รับความร้อนเหลือทิ้งมากขึ้น เมื่อโอเวอร์คล็อกคุณสามารถแซงหน้าความสามารถของระบบทำความเย็นเพื่อกำจัดความร้อนนั้นได้อย่างง่ายดาย

คิดว่าวงจร RC พื้นฐานที่ R และ C เป็นแบบขนาน เป้าหมายของเราคือมีนาฬิกาที่เอาท์พุทของวงจรนี้ - เป็นคลื่นสี่เหลี่ยม 0-5V 1KHz ดังนั้นเมื่อเราต้องการให้นาฬิกาอยู่ในระดับสูงเราจะเปิดแหล่งจ่ายแรงดันของเราและมันจะชาร์จประจุตัวเก็บประจุจนกว่าเอาต์พุตจะอยู่ที่ 5V และเมื่อเราต้องการ 0V เราจะปิดและปล่อยประจุ เวลาในการชาร์จ / คายประจุจะพิจารณาจากค่าคงที่ RC ของวงจร มีปัญหา - วงจรไม่ชาร์จเร็วพอสำหรับนาฬิกา 1KHz ฉันจะทำอย่างไร

เราไม่สามารถเปลี่ยนค่า RC คงที่ของวงจร - มันคงที่ ดังนั้นเราจึงต้องชาร์จตัวเก็บประจุให้เร็วขึ้น แต่ก็ยังมีแรงดันไฟฟ้าที่มีประจุเท่าเดิม ในการทำสิ่งนี้เราจำเป็นต้องมีวงจรแอคทีฟที่คอยตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของวงจร RC และจะเปลี่ยนกระแสไปสู่ตัวเก็บประจุเพื่อทำการชาร์จมันเร็วขึ้น ปัจจุบันหมายถึงพลังงานที่มากขึ้น

เมื่อคุณต้องการนาฬิกาที่เร็วขึ้นคุณจะต้องชาร์จตัวเก็บประจุให้เร็วขึ้น คุณเรียกเก็บประจุตัวเก็บประจุได้โดยการกดกระแสเข้าไป แรงดันไฟฟ้า * ปัจจุบัน = กำลัง คุณต้องการพลังมากขึ้น!

ทุกสิ่งในระบบดิจิตอลนั้นเชื่อมโยงกับนาฬิกาและทุกอย่างมีความจุ หากคุณมีชิป TTL 100 ตัวในหนึ่งนาฬิกาจะต้องขับกระแสจำนวนมากเพื่อชาร์จพวกเขาทั้งหมดจากนั้นจึงดึงกระแสจำนวนมากเพื่อดึงลงมา เหตุผลพื้นฐานที่กฎของโอห์มไม่ได้ถือเป็นเพราะสิ่งเหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานไม่ใช่แบบพาสซีฟ พวกเขาทำงานด้านไฟฟ้าเพื่อบังคับให้นาฬิกาอยู่ใกล้กับคลื่นสี่เหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบมากที่สุด

ถ้าคุณโอเวอร์คล็อกไมโครคอนโทรลเลอร์มันจะร้อนขึ้น

ใช่ - การเปลี่ยนแปลงที่เร็วกว่าหมายถึงการไหลของกระแสมากขึ้นและกำลังไฟเป็นแรงดัน * กระแส แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะยังคงเหมือนเดิม แต่กระแสที่ใช้เพิ่มขึ้นก็จะกระจายพลังงานมากขึ้นและมีความร้อนเพิ่มขึ้น

หากคุณโอเวอร์คล็อกตัวควบคุมขนาดเล็กก็ต้องการแรงดันไฟฟ้ามากขึ้น

จริงบางส่วน - มันต้องการพลังงานมากกว่าไม่จำเป็นต้องมีแรงดันไฟฟ้ามากกว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังแปลงแรงดันไฟฟ้าพิเศษเป็นกระแสเพื่อให้บรรลุความต้องการ

เท่าที่ฉันรู้ความถี่ของ AC นั้นไม่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้าและนาฬิกาเป็นเพียงตำแหน่งที่ยอดเยี่ยมของ DC และ AC (สี่เหลี่ยม) ความถี่ไม่ส่งผลกระทบต่อ DC

สำหรับโหลดตัวต้านทานเท่านั้น มีกลอุบายมากมายเกิดขึ้นกับไฟ AC

มีสมการเกี่ยวกับความถี่สัญญาณนาฬิกาและแรงดันไฟฟ้าหรือความถี่สัญญาณนาฬิกาและกำลังงานบ้างไหม?

อาจไม่สอดคล้องกัน แต่เกี่ยวข้องกับสมการอย่างง่าย Q = CV, V = I * R, P = I * V

เพียงจำไว้: ความถี่สูง => เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเวลา => ต้องเติมประจุเร็ว => ค่าใช้จ่ายอื่น ๆ => ปัจจุบันมากขึ้น => พลังงานมากขึ้น

กำลัง = ปัจจัยการสลับ * ความจุ * (VDD ^ 2) * ความถี่

ในขณะที่นาฬิกาเร็วมีปัจจัยการเปลี่ยนที่สูงขึ้นและความถี่ที่สูงขึ้นทำให้การใช้พลังงานแบบไดนามิกสูงขึ้น