CMOS反相器開關(guān)功耗的仿真

當(dāng)CMOS反相器切換邏輯狀態(tài)時，由于其充電和放電電流而消耗功率。了解如何在LTspice中模擬這些電流。

本系列的第一篇文章解釋了CMOS反相器中兩大類功耗：

動態(tài)，當(dāng)反相器從一種邏輯狀態(tài)變?yōu)榱硪环N時發(fā)生。

靜態(tài)，由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間流動的泄漏電流引起。

我們不再進(jìn)一步討論靜態(tài)功耗。相反，本文和下一篇文章將介紹SPICE仿真，以幫助您更徹底地了解逆變器的不同類型的動態(tài)功耗。本文關(guān)注的是開關(guān)功率——當(dāng)輸出電壓變化時，由于電容充電和放電而消耗的功率。

LTspice逆變器的實(shí)現(xiàn)

圖1顯示了我們將要使用的基本LTspice逆變器示意圖。

一個LTspice CMOS反相器。

圖1。CMOS反相器的LTspice實(shí)現(xiàn)。

在這個實(shí)現(xiàn)中，我們使用LTspice組件庫中的nmos4和pmos4-MOSFET。指定FET的長度和寬度很容易——只需右鍵單擊電路符號，LTspice就會打開圖2中的窗口。

指定LTspice中逆變器MOSFET的尺寸。

圖2:指定LTspice中的MOSFET尺寸。

我們將是老式的——這個工藝節(jié)點(diǎn)是在21世紀(jì)初引入的——并且兩個MOSFET都使用90 nm的長度。對于NMOS，我選擇了150nm的寬度。PMOS的寬度遵循經(jīng)驗(yàn)法則，即它應(yīng)該比NMOS寬約2.5倍。

額外的寬度補(bǔ)償了PMOS晶體管中較低的遷移率，有助于均衡逆變器的上升時間和下降時間。您可以分別在圖3和圖4中看到下降和上升的輸出轉(zhuǎn)換。

模擬的高到低輸出轉(zhuǎn)換。

圖3。模擬CMOS反相器的高到低輸出轉(zhuǎn)換。下降時間（90%到10%）為610納秒。

模擬的從低到高輸出轉(zhuǎn)換。

圖4。模擬CMOS反相器的低到高輸出轉(zhuǎn)換。上升時間（10%至90%）為390ns。

你可能已經(jīng)注意到，盡管我在上面說過，這個逆變器的上升和下降時間是不相等的。相反，電壓圖記錄了610ns的下降時間和390ns的上升時間。默認(rèn)LTspice模型庫中的NMOS和PMOS晶體管具有與我預(yù)期不同的電氣性能特性。

充放電電流模擬

CMOS反相器的動態(tài)功耗與在邏輯狀態(tài)之間的過渡階段期間流動的兩種類型的電流有關(guān)。在這篇文章中，我們只討論一個：充電和放電電容所需的電流。為了幫助我們檢查這一點(diǎn)，我在原始示意圖中添加了以下內(nèi)容：

一個小電容器。這表示輸出電壓變化時必須充電的負(fù)載電容。

一個非常大的電阻器。這表示連接到逆變器輸出端子的高阻抗部件。

新的示意圖如圖5所示。請記住，在實(shí)際電路中，輸出電容不僅僅是輸出節(jié)點(diǎn)上的單個電容。寄生電容和內(nèi)部電容也對總輸出電容有貢獻(xiàn)。

具有輸出電容和負(fù)載電阻的LTspice逆變器。

圖5。具有輸出電容和負(fù)載電阻的LTspice逆變器。

圖6中的紅色軌跡顯示了在低到高輸出轉(zhuǎn)換期間流入該逆變器的VOUT節(jié)點(diǎn)的電流。我通過按住Alt鍵并單擊通向C1和R1的導(dǎo)線將其添加到繪圖中。這是一個你可能沒有意識到的方便的LTspice技巧——你可以使用Alt+click（如果你在Mac上，則可以使用Cmd+click）來測量流經(jīng)任何導(dǎo)線段的電流。

從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

圖6。從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流（紅色軌跡）。

穩(wěn)態(tài)電流在瞬態(tài)的兩側(cè)都可以忽略不計(jì)。在瞬態(tài)之前，它基本上是零，因?yàn)閂OUT處于地電位。隨著VOUT的增加，顯著的電流必須從VDD流經(jīng)PMOS晶體管以對C1充電。在瞬態(tài)之后，VOUT在VDD處達(dá)到其新的穩(wěn)態(tài)值。由于R1電阻如此之高，所以電流再次極低（約18nA）。

上面的曲線圖中的電流被報(bào)告為正，因?yàn)長Tspice假設(shè)從PMOS漏極流出以對C1充電的電流是正的。下一個圖（圖7）顯示了從高到低的輸出轉(zhuǎn)換。由于放電電流是向另一個方向流動的，因此報(bào)告為負(fù)。

高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

圖7。高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流（紅色軌跡）。

當(dāng)它們流過PMOS或NMOS轉(zhuǎn)換器的電阻時，這些瞬態(tài)電流會導(dǎo)致能量損失。這種損失在前面的文章“CMOS反相器的功耗”中有解釋

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我們已經(jīng)研究了CMOS反相器中開關(guān)電流的原理圖設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果。在這個由三部分組成的系列的最后一期中，我們將檢查短路電流。為此，我們將使用LTspice的能力來直接測量瞬時功率。