En electrónica digital , el abanico de salida es el número de entradas de compuerta impulsadas por la salida de otra única compuerta lógica.
En la mayoría de los diseños, las puertas lógicas se conectan para formar circuitos más complejos. Si bien ninguna entrada de puerta lógica puede ser alimentada por más de una salida a la vez sin causar contención, es común que una salida esté conectada a varias entradas. La tecnología utilizada para implementar puertas lógicas generalmente permite que una cierta cantidad de entradas de puerta se conecten directamente entre sí sin circuitos de interfaz adicionales. La distribución máxima de una salida mide su capacidad de control de carga: es la mayor cantidad de entradas de puertas del mismo tipo a las que la salida se puede conectar de manera segura.
Los límites máximos de distribución de potencia suelen indicarse para una familia lógica o un dispositivo determinado en las hojas de datos del fabricante. Estos límites suponen que los dispositivos controlados son miembros de la misma familia.
Cuando se interconectan dos familias lógicas diferentes, se requiere un análisis más complejo que el de entrada y salida. El de salida se determina en última instancia por las corrientes máximas de fuente y de sumidero de una salida y las corrientes máximas de fuente y de sumidero de las entradas conectadas; el dispositivo de control debe ser capaz de suministrar o absorber en su salida la suma de las corrientes necesarias o proporcionadas (dependiendo de si la salida es un nivel de voltaje lógico alto o bajo) por todas las entradas conectadas, manteniendo al mismo tiempo las especificaciones de voltaje de salida. Para cada familia lógica, el fabricante define típicamente una entrada "estándar" con corrientes de entrada máximas en cada nivel lógico, y el de salida para una salida se calcula como el número de estas entradas estándar que se pueden controlar en el peor de los casos. (Por lo tanto, es posible que una salida pueda realmente controlar más entradas que las especificadas por el abanico de salida, incluso de dispositivos dentro de la misma familia, si los dispositivos particulares que se controlan absorben y/o generan menos corriente, como se informa en sus hojas de datos, que un dispositivo "estándar" de esa familia). En última instancia, si un dispositivo tiene la capacidad de abanico de salida para controlar (con confiabilidad garantizada) un conjunto de entradas se determina sumando todas las corrientes de fuente de entrada baja (máxima) especificadas en las hojas de datos de los dispositivos controlados, sumando todas las corrientes de sumidero de entrada alta (máxima) de esos mismos dispositivos y comparando esas sumas con las especificaciones de corriente de sumidero de salida baja máxima garantizada del dispositivo de control y la corriente de fuente de salida alta, respectivamente. Si ambos totales están dentro de los límites del dispositivo de control, entonces tiene la capacidad de abanico de salida de CC para controlar esas entradas en esos dispositivos como un grupo, y de lo contrario no la tiene, independientemente del número de abanico de salida proporcionado por el fabricante. Sin embargo, para cualquier fabricante con buena reputación, si este análisis actual revela que el dispositivo no puede controlar las entradas, el número de abanico de salida coincidirá.
Cuando se requiere conmutación de señales a alta velocidad, la impedancia de CA de la salida, las entradas y los conductores entre ellos puede reducir significativamente la capacidad de accionamiento efectiva de la salida, y este análisis de CC puede no ser suficiente. Consulte la sección Distribución de CA a continuación.
Una compuerta lógica perfecta tendría una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida cero , lo que permitiría que una salida de compuerta controle cualquier número de entradas de compuerta. Sin embargo, dado que las tecnologías de fabricación del mundo real presentan características menos que perfectas, se alcanzará un límite en el que una salida de compuerta no puede conducir más corriente hacia las entradas de compuerta subsiguientes; intentar hacerlo hace que el voltaje caiga por debajo del nivel definido para el nivel lógico en ese cable, lo que provoca errores.
El abanico de salida es la cantidad de entradas que se pueden conectar a una salida antes de que la corriente requerida por las entradas exceda la corriente que puede suministrar la salida mientras se mantienen los niveles lógicos correctos. Las cifras de corriente pueden ser diferentes para los estados lógicos cero y lógico uno y, en ese caso, debemos tomar el par que proporcione el abanico de salida más bajo. Esto se puede expresar matemáticamente como
¿Dónde está la función de piso ?
Basándonos únicamente en estas cifras, las puertas lógicas TTL están limitadas a quizás 2 a 10, dependiendo del tipo de puerta, mientras que las puertas CMOS tienen salidas de CC que son generalmente mucho más altas que lo que es probable que ocurra en circuitos prácticos (por ejemplo, el uso de las especificaciones de NXP Semiconductor para sus chips CMOS de la serie HEF4000 a 25 °C y 15 V da una salida de 34 000).
Sin embargo, las entradas de las puertas reales tienen capacitancia y resistencia a los rieles de la fuente de alimentación . Esta capacitancia ralentizará la transición de salida de la puerta anterior y, por lo tanto, aumentará su retardo de propagación . Como resultado, en lugar de un abanico de salida fijo, el diseñador se enfrenta a un equilibrio entre el abanico de salida y el retardo de propagación (que afecta la velocidad máxima del sistema general). Este efecto es menos marcado para los sistemas TTL, que es una de las razones por las que TTL mantuvo una ventaja de velocidad sobre CMOS durante muchos años.
A menudo, una sola señal (como un ejemplo extremo, la señal de reloj) necesita controlar mucho más de 10 cosas en un chip. En lugar de simplemente conectar la salida de una compuerta a 1000 entradas diferentes, los diseñadores de circuitos han descubierto que funciona mucho más rápido si se tiene un árbol (como un ejemplo extremo, un árbol de reloj ); por ejemplo, si la salida de esa compuerta controla 10 búferes (o equivalentemente un búfer escalado 10 veces más grande que el búfer de tamaño mínimo), esos búferes controlan otros 100 búferes (o equivalentemente un búfer escalado 100 veces más grande que el búfer de tamaño mínimo) y esos búferes finales controlan las 1000 entradas deseadas. Durante el diseño físico , algunas herramientas de diseño VLSI realizan la inserción de búferes como parte del cierre del diseño de integridad de la señal .
De la misma manera, en lugar de simplemente conectar los 64 bits de salida a una única puerta NOR de 64 entradas para generar el indicador Z en una ALU de 64 bits, los diseñadores de circuitos han descubierto que funciona mucho más rápido tener un árbol (por ejemplo, tener el indicador Z generado por una puerta NOR de 8 entradas y cada una de sus entradas generada por una puerta OR de 8 entradas).
En un modelo que recuerda a la economía de radix , una estimación del retardo total de un árbol de este tipo (el número total de etapas por el retardo de cada etapa) arroja un valor óptimo (retardo mínimo) cuando cada etapa del árbol se escala por e , aproximadamente 2,7. Las personas que diseñan circuitos integrados digitales suelen insertar árboles siempre que es necesario, de modo que el abanico de entrada y el abanico de salida de todas y cada una de las puertas del chip se encuentren entre 2 y 10. [1]
Por lo tanto, en muchos casos prácticos, el factor limitante principal es la distribución dinámica o de CA, no la distribución de CC, debido a la limitación de velocidad. Por ejemplo, supongamos que un microcontrolador tiene 3 dispositivos en sus líneas de dirección y datos, y el microcontrolador puede manejar 35 pF de capacitancia de bus a su velocidad de reloj máxima. Si cada dispositivo tiene 8 pF de capacitancia de entrada, entonces solo se permiten 11 pF de capacitancia de traza. (Las trazas de enrutamiento en placas de circuito impreso generalmente tienen 1-2 pF por pulgada, por lo que las trazas en este caso pueden tener una longitud máxima de 5,5 pulgadas). Si no se puede cumplir esta condición de longitud de traza, entonces el microcontrolador debe funcionar a una velocidad de bus más lenta para un funcionamiento confiable, o se debe insertar un chip de búfer con mayor impulso de corriente en el circuito. Un impulso de corriente más alto aumenta la velocidad ya que ; de manera más simple, la corriente es la tasa de flujo de carga, por lo que una corriente aumentada carga la capacitancia más rápido, y el voltaje a través de un capacitor es igual a la carga en él dividida por la capacitancia. Entonces, con más corriente, el voltaje cambia más rápido, lo que permite una señalización más rápida a través del bus.
Lamentablemente, debido a las velocidades más altas de los dispositivos modernos, es posible que se requieran simulaciones IBIS para determinar con precisión el abanico de salida dinámico, ya que este no está claramente definido en la mayoría de las hojas de datos. (Consulte el enlace externo para obtener más información).
