CMOS反相器的功耗

本文解釋了CMOS反相器電路中的動態(tài)和靜態(tài)功耗。

為集成電路提供基本功能的CMOS反相器的發(fā)展是技術(shù)史上的一個轉(zhuǎn)折點。這種邏輯電路突出了使CMOS特別適合高密度、高性能數(shù)字系統(tǒng)的電氣特性。

CMOS的一個優(yōu)點是它的效率。CMOS邏輯只有在改變狀態(tài)時才需要電流——簡單地保持邏輯高或邏輯低電壓的CMOS電路消耗的功率非常小。一般來說，低功耗是一個理想的功能，當(dāng)你試圖將盡可能多的晶體管功能封裝在一個小空間中時，這尤其有益。

正如計算機CPU愛好者提醒我們的那樣，充分去除集成電路中的熱量可能很困難。如果沒有CMOS反相器和其他類似的CMOS電路，這將更加困難。在這篇由三部分組成的系列文章中，我們將回顧CMOS反相器的關(guān)鍵特性，并討論其兩種主要的功耗類型：動態(tài)和靜態(tài)。在接下來的兩篇文章中，我們將更深入地研究動態(tài)功耗。

CMOS反相器的結(jié)構(gòu)和操作

CMOS反相器由連接在一起的NMOS晶體管和PMOS晶體管組成。圖1顯示了基本CMOS反相器的示意圖。

基本CMOS反相器電路的示意圖。

圖1。CMOS數(shù)字反相器使用一個NMOS和一個PMOS晶體管。

CMOS反相器的基本操作非常簡單：

當(dāng)輸入端被驅(qū)動到邏輯高電壓時，上PMOS晶體管阻斷電流，下NMOS晶體管傳導(dǎo)電流。因此，輸出端子通過低電阻路徑連接到0V。

當(dāng)輸入端子被驅(qū)動到邏輯低電壓時，PMOS導(dǎo)通并且NMOS截止。輸出通過低電阻路徑連接到VDD。

以這種方式，邏輯高輸入產(chǎn)生邏輯低輸出，而邏輯低輸入產(chǎn)生邏輯高輸出。

動態(tài)功耗

每當(dāng)電流流過導(dǎo)電元件時，就會消耗電力。我們在電力的基本公式中看到了這種關(guān)系：

等式1。

盡管CMOS反相器在穩(wěn)定狀態(tài)下不需要電流，但在其邏輯轉(zhuǎn)換過程中會消耗功率。這種動態(tài)功率損耗有兩種類型：

開關(guān)功耗。

短路功耗。

讓我們來看看每一個。

開關(guān)功耗

當(dāng)輸入邏輯轉(zhuǎn)換發(fā)生時，為了對電路中的電容進行充電或放電，必須流過瞬態(tài)電流。在從低到高的輸出轉(zhuǎn)換期間，當(dāng)輸出電壓增加到VDD時，電流流動以對負載電容充電。圖2顯示了這股電流所經(jīng)過的路徑。

在從低到高的輸出轉(zhuǎn)換過程中，通過CMOS反相器的充電電流的流動。

圖2:在低到高輸出轉(zhuǎn)換期間充電電流的流動。

電流也在從高到低的輸出轉(zhuǎn)換過程中流動（圖3），隨著輸出電壓降低到地電位，電容放電。

在高到低輸出轉(zhuǎn)換期間，通過CMOS反相器的放電電流的流動。

圖3。在高輸出到低輸出轉(zhuǎn)換期間的放電電流的流動。

為了估計CMOS反相器的開關(guān)損耗，我們使用以下方程：

等式2。

都是什么

CL是預(yù)期的負載電容

f是開關(guān)頻率。

CL×VDD2計算一個開關(guān)周期所需的能量。為了將這個結(jié)果從能量轉(zhuǎn)換為功率，我們將其乘以每秒循環(huán)次數(shù)（f），得到上面的方程。

短路功率耗散

另一種類型的動態(tài)功耗是由短路電流引起的。也稱為擊穿電流，這是逆變器邏輯電平轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的瞬態(tài)情況。

當(dāng)CMOS反相器穩(wěn)定在邏輯狀態(tài)時，其兩個晶體管中的一個處于非導(dǎo)通模式。因此，電流不容易從VDD流到地。然而，當(dāng)反相器改變狀態(tài)時，會有一個短暫的交叉期，在此期間NMOS和PMOS都具有一定程度的導(dǎo)電性。當(dāng)電流流過產(chǎn)生的短路時，能量會損失（圖4）。

短路電流發(fā)生在逆變器的邏輯電平轉(zhuǎn)換期間。

圖4。NMOS和PMOS晶體管在邏輯電平轉(zhuǎn)換期間短暫地產(chǎn)生短路，允許電流從VDD流到地。

靜態(tài)功耗

在這篇文章中，我避免說“CMOS反相器中絕對不會發(fā)生穩(wěn)態(tài)功耗”之類的話。事實上，場效應(yīng)晶體管并不是理想的開關(guān)。即使在關(guān)斷狀態(tài)下，漏電流也可以從漏極流到源極，以及從漏極或源極流到襯底。

如果這些泄漏電流的大小是已知的，則可以使用以下公式計算得到的功率耗散：

等式3。

動態(tài)功耗過去遠高于靜態(tài)功耗。如今，靜態(tài)功率可能非常重要。隨著CMOS特征尺寸的減小，其對總功耗的貢獻接近動態(tài)功率。

最后，請注意，靜態(tài)功率是工作溫度的函數(shù)。隨著溫度的升高，靜態(tài)功耗也會增加。

總結(jié)

CMOS反相器既可用作獨立的邏輯運算，也可用作高階邏輯運算的組件。CMOS反相器也用于在具有低驅(qū)動能力的數(shù)字電路的輸出處創(chuàng)建緩沖器。反相器提供模擬放大以減少信號的上升和下降時間。它們還可以將信號恢復(fù)到完全邏輯電平。

在這篇文章中，我們簡要地討論了CMOS反相器的操作，并檢查了這個基本邏輯電路的動態(tài)和靜態(tài)功耗。在本系列的下兩篇文章中，我們將使用LTspice模擬來更詳細地探討動態(tài)功耗的主題。