انتشار واسع

تتميز البوابة المنطقية المثالية بمقاومة دخل لا نهائية ومقاومة خرج صفرية ، مما يسمح لمخرج البوابة بتشغيل أي عدد من مداخل البوابات. مع ذلك، ونظرًا لأن تقنيات التصنيع في الواقع العملي لا تتمتع بخصائص مثالية، فسيتم الوصول إلى حدٍّ لا يستطيع عنده مخرج البوابة تمرير المزيد من التيار إلى مداخل البوابات اللاحقة - فمحاولة القيام بذلك تؤدي إلى انخفاض الجهد عن المستوى المحدد لمستوى المنطق على ذلك السلك، مما يتسبب في حدوث أخطاء.

عدد المداخل التي يمكن توصيلها بمخرج ما هو عدد المدخلات التي يمكن توصيلها بمخرج قبل أن يتجاوز التيار المطلوب من المدخلات التيار الذي يمكن أن يوفره المخرج مع الحفاظ على مستويات منطقية صحيحة. قد تختلف قيم التيار لحالتي المنطق صفر والمنطق واحد، وفي هذه الحالة يجب اختيار الزوج الذي يعطي أقل عدد للمداخل. يمكن التعبير عن ذلك رياضياً كما يلي:

${\displaystyle {\text{مخرج التيار المستمر}}=\operatorname {min} \left(\left\lfloor {\frac {I_{\text{out high}}}{I_{\text{in high}}}}\right\rfloor ,\left\lfloor {\frac {I_{\text{out low}}}{I_{\text{in low}}}}\right\rfloor \right)}$

أين${\displaystyle \lfloor \;\rfloor }$هي دالة الأرضية .

بالاعتماد على هذه الأرقام وحدها، فإن بوابات المنطق TTL محدودة ربما من 2 إلى 10، اعتمادًا على نوع البوابة، في حين أن بوابات CMOS لديها مراوح تيار مستمر أعلى بكثير مما هو محتمل حدوثه في الدوائر العملية (على سبيل المثال، استخدام مواصفات NXP Semiconductor لسلسلة رقائق CMOS HEF4000 الخاصة بهم عند 25  درجة مئوية و15 فولت يعطي مروحة تبلغ 34000).

مع ذلك، فإن مداخل البوابات الحقيقية لها سعة كهربائية بالإضافة إلى مقاومة لخطوط إمداد الطاقة . هذه السعة الكهربائية تُبطئ انتقال خرج البوابة السابقة، وبالتالي تزيد من زمن التأخير . ونتيجة لذلك، بدلاً من وجود عدد ثابت من المخارج، يواجه المصمم مفاضلة بين عدد المخارج وزمن التأخير (الذي يؤثر على السرعة القصوى للنظام ككل). هذا التأثير أقل وضوحًا في أنظمة TTL، وهو أحد أسباب تفوق TTL على CMOS في السرعة لسنوات عديدة.

في كثير من الأحيان، تحتاج إشارة واحدة (كإشارة الساعة على سبيل المثال) إلى تشغيل أكثر من عشرة عناصر على الشريحة. وبدلاً من توصيل خرج بوابة بألف مدخل مختلف، وجد مصممو الدوائر أن استخدام بنية شجرية (كشجرة الساعة على سبيل المثال ) أسرع بكثير. على سبيل المثال، يتم تشغيل خرج تلك البوابة لعشرة مخازن مؤقتة (أو ما يعادلها مخزن مؤقت أكبر بعشر مرات من أصغر مخزن مؤقت)، ثم تقوم هذه المخازن بتشغيل مئة مخزن مؤقت آخر (أو ما يعادلها مخزن مؤقت أكبر بمئة مرة من أصغر مخزن مؤقت)، وأخيرًا تقوم هذه المخازن بتشغيل الألف مدخل المطلوبة. أثناء التصميم المادي ، تقوم بعض أدوات تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) بإضافة المخازن المؤقتة كجزء من إغلاق تصميم سلامة الإشارة .

وبالمثل، بدلاً من مجرد توصيل جميع بتات الإخراج الـ 64 ببوابة NOR واحدة ذات 64 مدخلاً لتوليد علامة Z على وحدة حساب ومنطق 64 بت، وجد مصممو الدوائر أن الأمر يعمل بشكل أسرع بكثير عند استخدام شجرة - على سبيل المثال، توليد علامة Z بواسطة بوابة NOR ذات 8 مداخل، وتوليد كل مدخل من مداخلها بواسطة بوابة OR ذات 8 مداخل.

على غرار اقتصاد الجذر ، فإن أحد التقديرات للتأخير الكلي لمثل هذه الشجرة - العدد الإجمالي للمراحل مضروبًا في تأخير كل مرحلة - يعطي قيمة مثلى (أقل تأخير) عندما يتم تكبير كل مرحلة من الشجرة بمقدار e ، أي ما يقارب 2.7. عادةً ما يقوم مصممو الدوائر المتكاملة الرقمية بإدراج الأشجار كلما دعت الحاجة بحيث يكون عدد المدخلات والمخرجات لكل بوابة على الشريحة بين 2 و10. ^{[ 1 ]}

لذا، يُعدّ توزيع التيار الديناميكي أو التيار المتردد، وليس توزيع التيار المستمر، العامل المحدد الرئيسي في العديد من الحالات العملية، نظرًا لمحدودية السرعة. على سبيل المثال، لنفترض أن وحدة تحكم دقيقة تحتوي على 3 أجهزة على خطوط العناوين والبيانات الخاصة بها، وأن وحدة التحكم الدقيقة قادرة على تشغيل 35 بيكوفاراد من سعة ناقل البيانات عند أقصى سرعة ساعة. إذا كانت سعة إدخال كل جهاز 8 بيكوفاراد، فإن سعة المسار المسموح بها هي 11 بيكوفاراد فقط. (عادةً ما تحتوي مسارات التوجيه على لوحات الدوائر المطبوعة على 1-2 بيكوفاراد لكل بوصة، لذا يمكن أن يصل طول المسارات في هذه الحالة إلى 5.5 بوصة كحد أقصى). إذا لم يكن بالإمكان تلبية شرط طول المسار هذا، فيجب تشغيل وحدة التحكم الدقيقة بسرعة ناقل بيانات أبطأ لضمان التشغيل الموثوق، أو يجب إدخال شريحة عازلة ذات قدرة تشغيل تيار أعلى في الدائرة. زيادة قدرة التشغيل بالتيار تزيد السرعة لأن${\displaystyle \textstyle \ I=C{\frac {dV}{dt}}}$ببساطة، التيار هو معدل تدفق الشحنة، لذا فإن زيادة التيار تشحن المكثف بشكل أسرع، والجهد عبر المكثف يساوي الشحنة الموجودة عليه مقسومة على سعته. لذلك، مع زيادة التيار، يتغير الجهد بشكل أسرع، مما يسمح بنقل الإشارات عبر ناقل البيانات بشكل أسرع.

لسوء الحظ، ونظرًا للسرعات العالية للأجهزة الحديثة، قد تكون محاكاة IBIS ضرورية لتحديد توزيع الإشارة الديناميكي بدقة، حيث أن هذا التوزيع غير مُعرّف بوضوح في معظم جداول البيانات. (للمزيد من المعلومات، انظر الرابط الخارجي).