तेज़ घड़ी को अधिक शक्ति की आवश्यकता क्यों होती है?

Question

यदि आप एक माइक्रोकंट्रोलर को ओवरक्लॉक करते हैं, तो यह गर्म हो जाता है।

यदि आप एक माइक्रोकंट्रोलर को ओवरक्लॉक करते हैं, तो इसे अधिक वोल्टेज की आवश्यकता होती है।

कुछ सार तरीके से यह समझ में आता है: यह अधिक संगणना कर रहा है, इसलिए इसे अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है (और पूर्ण से कम होने के कारण, कुछ ऊर्जा गर्मी के रूप में फैल जाती है)।

हालाँकि, एक सीधे सादे पुराने ओम के नियम स्तर के बिजली और चुंबकत्व से, क्या चल रहा है?

घड़ी की आवृत्ति का बिजली अपव्यय या वोल्टेज से कोई लेना-देना नहीं है?

जहाँ तक मुझे पता है, AC की फ्रीक्वेंसी का उसके वोल्टेज या पावर से कोई लेना-देना नहीं है, और एक घड़ी DC और एसी (स्क्वायर) की सुपर-पोज़िशन है। आवृत्ति डीसी को प्रभावित नहीं करती है।

क्या घड़ी की आवृत्ति और वोल्टेज या घड़ी की आवृत्ति और शक्ति से संबंधित कुछ समीकरण है?

मेरा मतलब है कि एक उच्च गति थरथरानवाला को कम गति वाले से अधिक वोल्टेज या शक्ति की आवश्यकता होती है?

Comments

महान जवाब के लिए धन्यवाद। एक महत्वपूर्ण बिट मुझे याद आ रहा था कि (1 मेगाहर्ट्ज एटमेल शैली) सीएमओएस वास्तव में बहुत अधिक वर्तमान का उपयोग नहीं करता है जब यह कुछ भी नहीं कर रहा है। TTL हर समय करंट का उपयोग करता है, और यह वही है जो मैं चित्रित कर रहा था। मुझे वास्तव में संधारित्र चार्जिंग उत्तर पसंद हैं; यह बहुत स्पष्ट कारण देता है कि "गणना" को ऊर्जा की आवश्यकता क्यों होनी चाहिए। काश मैं कई उत्तर स्वीकार कर सकता।

— जैक श्मिट

Answer 1

वोल्टेज की आवश्यकता घड़ी की गति से काफी अधिक प्रभावित होती है, लेकिन आप सही हैं, उच्च गति के लिए आपको सामान्य रूप से उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होगी।

बिजली की खपत क्यों बढ़ती है?

यह एक साधारण सर्किट की तुलना में बहुत अधिक गड़बड़ है, लेकिन आप इसे आरसी सर्किट के समान होने के बारे में सोच सकते हैं।

आरसी सर्किट संतुलित

डीसी में एक RC सर्किट बिजली की खपत नहीं करता है। अनंत की आवृत्ति पर, जो प्राप्य नहीं है, लेकिन आप हमेशा इस सैद्धांतिक रूप से हल कर सकते हैं, संधारित्र एक शॉर्ट के रूप में कार्य करता है और आपको एक अवरोधक के साथ छोड़ दिया जाता है। इसका मतलब है कि आपके पास एक सरल भार है। जैसा कि आवृत्ति संधारित्र स्टोर कम हो जाती है और बिजली का निर्वहन करती है, जिससे कुल मिलाकर थोड़ी मात्रा में बिजली नष्ट हो जाती है।

एक माइक्रोकंट्रोलर क्या है?

इसके अंदर कई एमओएसएफईटी से बना है, जिसे हम CMOS कहते हैं ।

यदि आप एक MOSFET के गेट के मूल्य को बदलने की कोशिश करते हैं, तो आप संधारित्र को चार्ज या डिस्चार्ज कर रहे हैं। यह एक अवधारणा है जो मेरे पास छात्रों को समझाने में कठिन समय है। ट्रांजिस्टर बहुत कुछ करता है, लेकिन हमारे लिए यह सिर्फ गेट से कैपेसिटर की तरह दिखता है। मॉडल में इसका मतलब है कि CMOS में हमेशा कैपेसिटी का भार होगा।

विकिपीडिया में एक CMOS इन्वर्टर की एक छवि होगी जिसे मैं संदर्भित करूँगा।

CMOS इन्वर्टर में एक आउटपुट लेबल होता है। Q. एक माइक्रोकंट्रोलर के अंदर आपका आउटपुट दूसरे CMOS लॉजिक गेट को चला रहा होगा। जब आपका इनपुट ए क्यू पर उच्च से निम्न कैपेसिटेंस में परिवर्तन करता है तो नीचे ट्रांजिस्टर के माध्यम से छुट्टी देनी चाहिए। हर बार जब आप एक संधारित्र चार्ज करते हैं तो आप बिजली का उपयोग देखते हैं। आप इसे पावर स्विचिंग और लीकेज के तहत विकिपीडिया पर देख सकते हैं ।

वोल्टेज को ऊपर क्यों जाना पड़ता है?

जैसा कि आप वोल्टेज बढ़ाते हैं, यह आपके तर्क की दहलीज पर समाई ड्राइव करना आसान बनाता है। मुझे पता है कि यह एक सरलीकृत उत्तर की तरह लगता है, लेकिन यह इतना आसान है।

जब मैं कहता हूं कि कैपेसिटेंस को ड्राइव करना आसान है, तो मेरा मतलब है कि इसे थ्रेशोल्ड के बीच तेजी से चलाया जाएगा, क्योंकि यह मॉर्ज़िनेशन के रूप में है:

MOS ट्रांजिस्टर की बढ़ी हुई आपूर्ति ड्राइव क्षमता के साथ भी (बड़ा Vgs) बढ़ता है। इसका मतलब है कि RC से वास्तविक R घटता है और इसीलिए गेट तेज होता है।

बिजली की खपत के संबंध में, छोटे ट्रांजिस्टर कितने हैं, इस कारण गेट कैपेसिटेंस के माध्यम से एक बड़ा रिसाव होता है, मार्क को इस बारे में जोड़ना था:

उच्च वोल्टेज उच्च रिसाव वर्तमान में परिणाम है। उच्च ट्रांजिस्टर गिनती उपकरणों में आधुनिक डेस्कटॉप सीपीयू लीकेज करंट जैसे अधिकांश बिजली अपव्यय के कारण हो सकते हैं। जैसे-जैसे प्रक्रिया का आकार छोटा होता जाता है और ट्रांजिस्टर की गिनती बढ़ती जाती है, लीकेज करंट अधिक से अधिक महत्वपूर्ण शक्ति का उपयोग होता जाता है।

Comments

जोड़े बातें मैं जोड़ सकता है: उच्च वोल्टेज वर्तमान रिसाव में उच्च परिणाम। उच्च ट्रांजिस्टर गिनती उपकरणों में आधुनिक डेस्कटॉप सीपीयू लीकेज करंट जैसे अधिकांश बिजली अपव्यय के कारण हो सकते हैं। जैसे-जैसे प्रक्रिया का आकार छोटा होता जाता है और ट्रांजिस्टर की गिनती बढ़ती जाती है, लीकेज करंट अधिक से अधिक महत्वपूर्ण शक्ति का उपयोग होता जाता है।

— मार्क

दूसरे, उच्च वोल्टेज ट्रांजिस्टर को अधिक तेजी से स्विच करने की अनुमति देता है क्योंकि कैपेसिटर कैसे चार्ज करते हैं। हम जानते हैं कि एक संधारित्र इनपुट वोल्टेज के 63% को 1 समय में चार्ज करेगा, अगर हम इनपुट वोल्टेज बढ़ाते हैं तो उस वोल्टेज का 63% स्पष्ट रूप से अधिक होता है, जिसका अर्थ है कि ट्रांजिस्टर को ऑन वोल्टेज पर चार्ज करने में कम समय लगेगा ट्रांजिस्टर के लिए। इसलिए उच्च वोल्टेज स्विचिंग को आसान नहीं बनाता है, बल्कि तेज़ होता है।

— मार्क

जब मैंने आसान कहा तो मेरा मतलब तेजी से था। मुझे वह ठीक करने दें और अपनी अतिरिक्त बोली जोड़ें।

— कोरटुक

बढ़े हुए वोल्टेज घटने के समय के बारे में हिस्सा सही नहीं है। CMOS गेट की दहलीज आपूर्ति वोल्टेज के साथ भी बदल जाएगी (और उचित आपूर्ति सीमा के भीतर आपूर्ति के निरंतर अंश के बराबर या कम होगी - उदाहरण के लिए 50%)। चूंकि वोल्टेज का प्रतिशत परिवर्तन आपूर्ति पर निर्भर नहीं करता है (एक आरसी हमेशा ~ 63% आपूर्ति की परवाह किए बिना होगा) यही कारण है कि आपूर्ति मीटर नहीं है। MOS ट्रांजिस्टर की बढ़ी हुई आपूर्ति ड्राइव क्षमता के साथ भी (बड़ा Vgs) बढ़ता है। इसका मतलब है कि RC से वास्तविक R घटता है और इसीलिए गेट तेज होता है।

— mazurnification

@mazurnification, मैं ईमानदारी से याद नहीं कर सका कि क्यों, और किसी ने जो कहा वो उन्हें पता था। मुझे लगा कि कोई बेहतर जानता है कि वे इसे छोड़ देंगे। आपकी व्याख्या मुझे समझ में आती है और मैंने इसे संपादित किया है।

— कोरटुक २11

Answer 2

सामान्य तौर पर, सीएमओएस गेट केवल वर्तमान का उपयोग करते हैं जब वे राज्यों को स्विच करते हैं। तो घड़ी की गति जितनी तेज़ होती है, उतनी ही बार गेट स्विचिंग होते हैं, इस प्रकार अधिक करंट स्विच किया जाता है, और अधिक बिजली की खपत होती है।

Comments

यदि आप इसके बारे में सोचते हैं तो इसका कोई मतलब नहीं है। कुछ 10 घड़ी चक्रों को पूरा करने के लिए आवश्यक मनमाने ढंग से गणना पर विचार करें। यदि आपकी ऑपरेटिंग आवृत्ति 10Hz है, तो इसे समाप्त होने में एक सेकंड लगता है और आपने इस प्रक्रिया में बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। हालाँकि, अगर आपकी घड़ी की आवृत्ति सिर्फ 1Hz थी, तो इसे 10 सेकंड (10 गुना अधिक) लगेगा, लेकिन प्रत्येक घड़ी में आप केवल 1/10 ऊर्जा की खपत करेंगे - ऊर्जा की खपत स्विचिंग आवृत्ति के लिए सीधे प्रासंगिक है। इसलिए समग्र बिजली की खपत में समान रूप से वृद्धि हुई है।

— sherrellbc

तो वास्तव में, उच्च आवृत्तियों पर प्रति समय अधिक बिजली की खपत हो रही है, लेकिन कुल मिलाकर कोई रास्ता नहीं है।

— sherrellbc 14

@sherrellbc उस एक गणना के लिए, शक्ति समान होगी चाहे वह कम आवृत्ति पर 10 सेकंड से अधिक खींची गई हो या उच्च आवृत्ति पर एक सेकंड में निष्पादित की गई हो। वास्तव में इस प्रिंसिपल का इस्तेमाल बैटरी से चलने वाले उपकरणों में बिजली बचाने के लिए किया जाता है। लेकिन उच्च आवृत्ति पर एक सेकंड के लिए बिजली कम आवृत्ति पर एक सेकंड में बिजली का 10 गुना है - यही कारण है कि उच्च आवृत्ति पर चिप गर्म होती है, और इसे चलाने के लिए 10 गुना अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है।

— tcrosley 16

ठीक यही मेरी बात थी। प्रति समय खपत की जाने वाली शक्ति में वृद्धि हुई है और इसके परिणामस्वरूप डिवाइस को गर्म किया जा रहा है क्योंकि यह ऊर्जा खर्च की जाती है। मैं केवल यह कह रहा था कि समतल जमीन (दोनों उपकरणों पर समतुल्य गणना पूरी होने पर) की तुलना में समग्र बिजली की खपत बिल्कुल समान होगी। उच्च आवृत्ति डिवाइस गर्मी को और अधिक करने जा रहा है क्योंकि बाद वाले ऑपरेटिंग उपकरण की तुलना में गर्मी के पास कम समय है। मुझे लगता है कि संक्षेप में बात बस इतनी है कि दोनों डिवाइस अलग-अलग समय के अंतराल पर एक ही ऊर्जा का उपभोग करेंगे।

— sherrellbc 12

Answer 3

खैर, यह तर्क स्तर के बदलाव के बारे में है।

जब कोई एकल बिट आउटपुट बदलता है ... तो विद्युत मूल्य उच्च से निम्न या निम्न से उच्च पर होना चाहिए। यह बिजली की आपूर्ति से बिजली खींचती है, या कुछ शक्ति को वापस जमीन पर ले जाती है। यह अक्षमताओं के कारण थोड़ा अपशिष्ट ताप भी उत्पन्न करता है।

यदि आप घड़ी की दर बढ़ाते हैं, तो आप प्रति इकाई समय में इन संक्रमणों की संख्या बढ़ाते हैं, इसलिए आप इन तर्क स्तर के संक्रमणों को खिलाने के लिए अधिक शक्ति का उपयोग करते हैं।

बढ़ी हुई वोल्टेज आवश्यकताएं थोड़ी अलग हैं। जिस समय यह कम से उच्च तक संक्रमण का संकेत लेता है उसे उदय समय कहा जाता है। किसी भी आवृत्ति पर सुरक्षित रूप से संचालित करने के लिए तर्क को अगले घड़ी के नए मूल्य के नमूने से पहले लगातार इस संक्रमण को बनाने में सक्षम होना चाहिए। एक निश्चित बिंदु पर, तर्क किसी विशेष आवृत्ति की बढ़ती समय की आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम नहीं होगा। यह वह जगह है जहां वोल्टेज को बढ़ाने में मदद मिलेगी, क्योंकि यह घटता समय बढ़ता है।

गर्मी काफी सरल है। चिप को एक निश्चित घड़ी दर द्वारा उत्पन्न गर्मी की एक निश्चित मात्रा को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है। घड़ी की दर बढ़ाकर संक्रमणों की संख्या में वृद्धि करें, और आपको अधिक अपशिष्ट गर्मी प्राप्त होने वाली है। ओवरक्लॉकिंग करते समय, आप आसानी से उस गर्मी को दूर करने की शीतलन प्रणाली की क्षमता को पछाड़ सकते हैं।

Answer 4

एक बुनियादी आरसी सर्किट के बारे में सोचें जहां आर और सी समानांतर हैं। हमारा लक्ष्य इस सर्किट के उत्पादन में एक घड़ी है - एक 0-5V 1KHz वर्ग तरंग। इसलिए जब हम चाहते हैं कि घड़ी ऊंची हो, तो हम अपने वोल्टेज स्रोत को चालू करते हैं और यह संधारित्र को तब तक चार्ज करता है जब तक आउटपुट 5V पर नहीं हो जाता है, और जब हम 0V चाहते हैं तो हम इसे बंद कर देते हैं और इसे डिस्चार्ज करते हैं। चार्ज / डिस्चार्ज का समय सर्किट के आरसी स्थिरांक द्वारा निर्धारित किया जाता है। एक समस्या है - सर्किट 1KHz घड़ी के लिए जल्दी चार्ज नहीं करता है। मैं क्या करूं?

हम सर्किट के आरसी स्थिरांक को बदल नहीं सकते - यह तय हो गया है। इसलिए हमें संधारित्र को किसी भी तरह जल्दी चार्ज करना होगा, लेकिन अभी भी एक ही चार्ज वोल्टेज है। ऐसा करने के लिए हमें एक सक्रिय सर्किट की आवश्यकता होती है जो आरसी सर्किट के आउटपुट वोल्टेज पर नज़र रखता है और इसे जल्दी चार्ज करने के लिए संधारित्र में जाने वाले करंट को बदलता है। अधिक करंट का अर्थ है अधिक शक्ति।

जब आप एक तेज़ घड़ी चाहते हैं, तो आपको संधारित्र को तेज़ी से चार्ज करने की आवश्यकता होती है। आप एक संधारित्र को वर्तमान में धकेल कर चार्ज करते हैं। करंट * वोल्टेज = बिजली। आपको अधिक शक्ति की आवश्यकता है!

एक डिजिटल प्रणाली में सब कुछ घड़ी से बंधा हुआ है और सब कुछ समाई है। यदि आपके पास एक घड़ी पर 100 टीटीएल चिप्स हैं, तो उन सभी को चार्ज करने के लिए बहुत अधिक करंट ड्राइव करना होगा, फिर उन्हें खींचने के लिए बहुत अधिक करंट खींचना होगा। ओम का कानून मौलिक कारण नहीं है क्योंकि ये सक्रिय उपकरण हैं, निष्क्रिय नहीं। वे घड़ी को एक पूर्ण वर्ग तरंग के जितना संभव हो सके करने के लिए मजबूर करने के लिए विद्युत कार्य करते हैं।

यदि आप एक माइक्रोकंट्रोलर को ओवरक्लॉक करते हैं तो यह गर्म हो जाता है

हां - अधिक तेजी से परिवर्तन का मतलब है अधिक प्रवाह और बिजली वोल्टेज * वर्तमान। यहां तक ​​कि अगर वोल्टेज समान रहता है, तो वर्तमान में उपयोग बढ़ता है, इसलिए अधिक शक्ति अपव्यय, अधिक गर्मी।

यदि आप एक माइक्रोकंट्रोलर को ओवरक्लॉक करते हैं तो इसे अधिक वोल्टेज की आवश्यकता होती है

आंशिक रूप से सच है - इसे अधिक शक्ति की आवश्यकता है, न कि अधिक वोल्टेज की। माइक्रोकंट्रोलर किसी तरह से अपनी जरूरतों को प्राप्त करने के लिए अतिरिक्त वोल्टेज को अधिक वर्तमान में परिवर्तित कर रहा है।

जहाँ तक मुझे पता है, AC की फ्रीक्वेंसी का उसके वोल्टेज या पावर से कोई लेना-देना नहीं है, और एक घड़ी DC और एसी (स्क्वायर) की सुपर-पोज़िशन है। आवृत्ति डीसी को प्रभावित नहीं करती है।

केवल विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक भार के लिए। वहाँ एसी शक्ति के साथ बहुत सारी प्रवंचना हो रही है।

क्या घड़ी की आवृत्ति और वोल्टेज या घड़ी की आवृत्ति और शक्ति से संबंधित कुछ समीकरण है?

शायद एक सुसंगत नहीं है, लेकिन यह सरल समीकरणों से संबंधित है Q = CV, V = I * R, P = I I V

बस याद रखें: उच्च आवृत्ति => तेजी से वृद्धि का समय => कैपेसिटर को त्वरित रूप से भरना होगा => अधिक शुल्क => अधिक वर्तमान => अधिक शक्ति ।

Comments

मुझे लगता है कि यह कहना अधिक सही है कि आप उन्हें अधिक बार भर रहे हैं और खाली कर रहे हैं, यह देखने के लिए नहीं कि आप इसे तेजी से कर रहे हैं। यह केवल तब होता है जब आप उनकी आवृत्ति के करीब पहुंचते हैं आप वोल्टेज बढ़ाते हैं।

— कोरटुक

मुझे लगता है कि आप जानते हैं कि आप क्या कह रहे हैं, लेकिन मैं सिर्फ एक टिप्पणी में स्पष्ट होना चाहता था कि आप इसकी तुलना कैसे कर रहे थे।

— कोरटुक

उच्च आवृत्ति पर आप इसे तेज़ी से करना चाहते हैं - आप एक धीमी रैंप का जोखिम नहीं उठा सकते क्योंकि आपकी स्क्वायर तरंग त्रिकोण की लहर में बदल सकती है यदि यह बहुत धीमी है। इसे अधिक बार करना भी बदतर बना देता है लेकिन यह एसी पावर है, और यह मुझे भ्रमित करता है :)

— एंग्रीईई

Answer 5

पावर = स्विचिंग फैक्टर * कैपेसिटेंस * (वीडीडी ^ 2) * फ्रीक्वेंसी।

चूंकि तेज घड़ी में उच्च स्विचिंग कारक होता है, और उच्च आवृत्ति भी होती है, इस प्रकार उच्च गतिशील बिजली की खपत होती है।