Frage:
Warum haben Computerschaltungen so viele Widerstände und Kondensatoren?
Matthew Inbox
2020-04-29 09:42:17 UTC
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Als jemand, der ein gutes Verständnis der Computerarchitektur (aber nicht der Elektrotechnik) hat, habe ich mich immer gefragt, warum Computerschaltungen dazu neigen, so viele Widerstände, Kondensatoren und andere kleine Schaltungselemente zu haben.Die Rechenlogik ist binär - entweder wird durch Drähte Strom geleitet oder nicht.Warum also muss der Elektronenfluss an so vielen verschiedenen Orten gespeichert / reduziert werden?Ich vermute, es hat etwas damit zu tun, Spannung an verschiedene Schaltungselemente von der Stromversorgung zu liefern oder vielleicht die schnelle Schwingung des CPU-Takts zu steuern, aber ich bin mir nicht sicher.

Ich würde sagen, dass in einem Computer, wenn Sie die gesamte Anzahl der einzelnen Komponenten und dann nicht einen Chip als einen Chip, sondern als xxx-Transistoren zählen, die Anzahl der Widerstände und Kondensatoren ** extrem klein ** wäre.Eine moderne CPU kann beispielsweise mehr als 1 Milliarde Transistoren enthalten.
Denken Sie darüber nach: Die Idee der Rechenlogik ist rein digital, aber wenn sie als physische Maschinen implementiert werden, unterliegen sie EM-Interferenzen, Streukapazitäten usw. Logikpegel werden sogar als Bereiche definiert, z. B. ist TTL niedrig 0 V bis0,8 V und 2,0 V bis 5 V sind hoch, nicht nur einfach ein oder aus.Sogar die Induktivität von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte kann die Schaltung beeinflussen.Analoge Komponenten (Widerstände und Kappen) helfen bei der Bewältigung dieser analogen Effekte aus der realen Welt.
Es ist ein bisschen so, als würde man fragen, ob Autos hauptsächlich zum Bewegen bestimmt sind. Warum haben sie all diese Schrauben und Muttern, die die Antriebsleistung nicht erhöhen?Sie sind übliche Gebrauchsteile mit vielen Verwendungszwecken, und übrigens ist alles in der realen Welt der Schaltungen analog ... digital ist nur eine Möglichkeit, sie zu verwenden.
"Die Rechenlogik ist binär - entweder wird durch Drähte Strom geleitet oder nicht."Nein, ist es nicht.Binär ist eine * kognitive Vereinfachung *, mit der wir alle analogen Schaltkreise analysieren.Es gibt keine wirklich "digitalen" Schaltkreise.Das Universum ist analog.
In einem ähnlichen Zusammenhang haben Relaiscomputer normalerweise keine Widerstände und Kondensatoren in ihren Logikschaltungen.(Solche Komponenten können an anderer Stelle im Gerät angezeigt werden, z. B. im Papierbandleser oder in der Konsolenschreibmaschine.)
Was Sie auf der Leiterplatte sehen, ist * meistens * nur "Kleber", mit dem die verschiedenen Chips zusammenarbeiten können.
Sieben antworten:
#1
+17
Kyle B
2020-04-29 09:49:44 UTC
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Widerstände und Kappen haben Tausende von Verwendungsmöglichkeiten.

Einige Hauptanwendungen für Widerstände, die möglicherweise direkt mit den IC-Pins verbunden sind

  • Hochziehen / Herunterziehen (100% eine Logikfunktion;)

  • Terminierung, um Klingeln oder Signalreflexionen bei digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen zu verhindern. (Computer würden nicht funktionieren, wenn dies nicht getan würde)

Kondensatoren werden von der Schaufelladung verwendet, um die Leistung zu umgehen. Wenn Ihr IC den logischen Zustand (Uhren) umschaltet, ändern sich gleichzeitig Tonnen von Transistoren im Inneren. Das Ergebnis ist ein kleiner Schluck Strom. Da sich der IC in einiger Entfernung von der Hauptstromversorgung befindet, kann er nicht schnell genug Strom liefern. Sie benötigen eine Sekundärversorgung in unmittelbarer Nähe des IC, um zu verhindern, dass der IC nach Spannung hungert. Die Kappen direkt neben den ICs führen diese Funktion aus. Es ist viel wie ein Wasserturm. Der Wasserturm hält einen konstanten Druck auf alle angeschlossenen Personen aufrecht, unabhängig von der momentanen Nachfrage. Wenn es bei steigender Nachfrage keinen Wasserturm gäbe und Sie kilometerlange Wassermeilen & von einem entfernten Reservoir pumpen müssten, würde der Widerstand der Rohrleitungen dazu führen, dass der Druck abfällt, wenn er zu Ihrem Haus gelangt.

Es gibt offensichtlich viel kompliziertere Dinge als die oben genannten, aber ich habe versucht, es in einfachen Worten zu halten.

#2
+5
hacktastical
2020-04-29 10:41:49 UTC
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Kondensatoren bieten eine Umgehung der Stromversorgung für die Schaltlogik. Kleinere Kondensatoren haben für diese Aufgabe bessere Hochfrequenzeigenschaften, sodass sie häufig für Computerplatinen verwendet werden. Größere Werte ermöglichen eine Massenfilterung, um die Stromversorgung stabil zu halten.

Große, leistungshungrige Chips werden mit einer Reihe von Kondensatorwerten mit Teppichbomben bombardiert, um den erforderlichen Frequenzbereich im Leistungsbereich zu erhalten, um das Schaltrauschen des Chips zu unterdrücken.

Widerstände werden auf Computerplatinen als Abschluss oder zum Hoch- / Runterziehen von Signalen in bekannte Zustände angezeigt. Sie sind bei weitem nicht so zahlreich wie Kondensatoren. Blöcke mit gemischten Signalen verwenden, falls vorhanden, Widerstände zur Verstärkungseinstellung oder für andere Signalkonditionierungen.

Und vergessen wir nicht die Induktoren. Diese befassen sich mit Strom, manchmal zum Filtern, aber meistens für die DC-DC-Umwandlung, als Energieübertragungsvorrichtungen, um die Versorgung auf das zu reduzieren, was die Chips benötigen. Große Chips verwenden Mehrphasenwandler, eine Induktivität pro Phase, für Kernspannungen, die Hunderte von Ampere erreichen können.

#3
+3
Justme
2020-04-29 10:39:07 UTC
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Grundsätzlich gibt es Kondensatoren und Widerstände, weil sie nur "Sachen machen". Die Liste ist endlos.

Computergeräte berechnen nicht nur selbst. Zum Beispiel benötigen sie auch Strom und ein Taktsignal, um ihre Computerelemente zu synchronisieren, und Kommunikationsbusse, die als Übertragungsleitungen angesehen werden können.

Mit jedem Taktzyklus können Millionen von Logikgattern ihre Zustände umschalten, und jedes Gate nimmt beim Umschalten einen kleinen Schluck Strom auf. Eine moderne CPU kann 100 W Strom verbrauchen, was bedeutet, dass bei einer 1-Volt-Kernversorgung durchschnittlich 100 Ampere Strom verbraucht werden. Die Menge an Kapazität und die Anzahl kleiner Kondensatoren, um die CPU mit einer Impedanz zu versorgen, die niedrig genug ist, um die Spannung stabil zu halten, ist signifikant. Es gibt viele andere Funktionen für Kondensatoren als die Stabilisierung von Stromversorgungen, wie z. B. AC-Kopplungsbussignale, AC-Terminierung, Timing, Kompensation, Filterung.

Und die Widerstände werden zum Abschluss von Übertragungsleitungen mit der richtigen Impedanz verwendet, um als Pull-Ups oder Pull-Downs für Signale, zur Strombegrenzung selbst für eine LED, zum Teilen der Spannung zum Einstellen des Reglerausgangs und als Shunt zum Messen des Stroms zu dienen .

#4
+3
Joren Vaes
2020-04-29 11:03:37 UTC
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Ich denke, ein großer Teil wird in anderen Antworten hier übersehen, warum Sie diese Widerstände auf so etwas wie einem Motherboard haben.

Ja, die Computerchips sind digital und arbeiten mit Nullen und Einsen.Aber jedes moderne System verfügt über viele analoge Funktionen.

Zuerst haben Sie Vorräte.Sie müssen irgendwo alle für Ihren Chip benötigten Versorgungsspannungen erzeugen.Dies erfolgt mit analogen (oder zumindest teilweise analogen) Schaltungen, die diese Widerstände verwenden, um die Verstärkung einzustellen, die Rückkopplung zu steuern usw.

Zweitens verfügt Ihr System möglicherweise einfach über viele analoge Funktionen zur Verbindung mit der Außenwelt.Ein Mikroprozessor oder SoC verfügt möglicherweise über interne ADCs und DACs, um mit anderen Systemen zu kommunizieren, sei es Audio, Daten oder andere analoge Steuersignale.Diese benötigen möglicherweise alle Widerstände und andere analoge Komponenten, um zu funktionieren.

Solche Verwendungen wären nur ein winziger Bruchteil der auf einer Platine vorhandenen Widerstände und Kondensatoren. Die meisten dienen dazu, das digitale Verhalten der digitalen Schaltung aufrechtzuerhalten, indem sie als Abschlüsse bzw. Bypässe fungieren.
#5
+2
Peter Green
2020-04-29 20:20:50 UTC
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Sie haben weit mehr Transistoren als Widerstände und Kondensatoren. Es ist nur so, dass die Transistoren größtenteils als Teil von ICs integriert sind (und wenn sie nicht integriert sind, gibt es kaum einen visuellen Unterschied zwischen einem diskreten Transistor und einem IC mit niedriger Pinanzahl ), so dass Sie sie nicht wirklich sehen.

Widerstände und Kondensatoren sind dagegen nur schwer effektiv in ICs zu integrieren, sodass es sich eher um diskrete Komponenten handelt.

Kondensatoren werden hauptsächlich verwendet, um die Stromversorgung stabil zu halten. Jedes Mal, wenn ein Logikgatter schaltet, zieht es eine Stromspitze, hauptsächlich aufgrund des Ladens und Entladens der Streukapazität in der Verkabelung und manchmal auch aufgrund des teilweisen gleichzeitigen Einschaltens des oberen und des unteren Transistors. Jede Taktflanke bewirkt, dass eine große Menge an Logik im Wesentlichen zur gleichen Zeit umschaltet, sodass die Stromversorgung des gesamten Chips auch die Spitzen anzeigt.

Daher werden "Entkopplungskondensatoren" verwendet, um diese Stromspitzen zu versorgen und die Versorgungsspannung stabil zu halten. Aufgrund der Streuinduktivität der Leiterplattenspuren müssen sich die Kondensatoren in der Nähe der ICs befinden, für die sie die Stromversorgung schützen, daher die große Anzahl von ihnen.

Größere, aber langsamere Kondensatoren (höherer ESR und / oder ESL) werden häufig als Teil der Leistungsschaltung angesehen, wo sie dazu dienen, die Stromschwankungen aus der Schaltwirkung der Tiefsetzsteller auszugleichen, die die 12 V von der Leistung herabsetzen Versorgung mit dem Volt, das von der Kernlogik verwendet wird.

Widerstände sind viel seltener als Kondensatoren, haben jedoch einige wichtige Verwendungszwecke. Sie schließen Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen ab, um zu verhindern, dass Reflexionen das Signal stören. Eine andere Möglichkeit besteht darin, "Pull-Ups" oder "Pull-Downs" bereitzustellen, damit ein Signal in einen bekannten Zustand übergeht, wenn es nicht aktiv angesteuert wird. Es gibt auch eine bestimmte Menge an "analogen" Schaltungen (wie Stromversorgungen), die wahrscheinlich Widerstände benötigen.

Manchmal sieht man auch "Null-Ohm-Verbindungen", die manchmal als Widerstände klassifiziert werden.Diese werden verwendet, wenn ein Designer mehrere Optionen zum Erstellen der Platine mit leicht unterschiedlichen Verbindungen zulassen möchte.

#6
+1
DrSheldon
2020-04-29 23:44:08 UTC
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Andere Antworten haben erklärt, warum Widerstände und Kondensatoren überhaupt benötigt werden, haben jedoch noch nicht erklärt, warum sie sich auf diskreten Komponenten auf der Leiterplatte außerhalb der integrierten Schaltkreise befinden.

Es ist sicherlich möglich, Widerstände und Kondensatoren als Teil von ICs herzustellen.In der Tat war der erste im Handel erhältliche IC ein Widerstandstransistor-NOR-Gatter.Viele ICs haben heute noch einige Widerstände oder Kondensatoren, die auf dem Chip hergestellt wurden.

Widerstände und Kondensatoren nehmen jedoch viel Chipplatz ein.IC-Widerstände müssen lang sein.Die Kapazität ist proportional zur Fläche.Beide Komponenten nehmen wertvolle Chipfläche ein, die stattdessen für eine große Anzahl von Transistoren verwendet werden könnte.Es ist daher wirtschaftlicher, diese Geräte als diskrete Komponenten außerhalb des IC zu platzieren

#7
  0
Wouter van Ooijen
2020-04-29 13:24:08 UTC
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Wenn ich mir ein modernes PC-Mainboard anschaue, sehe ich zwar viele Kondensatoren, aber sehr kleine (bis gar keine) Widerstände.

Die Kondensatoren sind Teil der Stromversorgungskreise, die sich nicht nur in der Metallbox befinden, sondern beispielsweise auch um die Haupt-CPU herum.Dieses Netzteil ist definitiv eine analoge Schaltung, keine digitale (obwohl diese schaltet).Die Kondensatoren werden zum Glätten benötigt, weil

  • Die Stromversorgung erfolgt durch den Stromversorgungskreis in Bursts
  • Der Stromverbrauch der CPU kann sich sehr schnell ändern.


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