CMOS反相器的功耗

本文解釋了CMOS反相器電路中的動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的效率。CMOS邏輯只有在改變狀態(tài)時(shí)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(gè)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(gè)小空間中時(shí)，這尤其有益。

正如計(jì)算機(jī)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C(jī)MOS反相器的關(guān)鍵特性，并討論其兩種主要的功耗類型：動(dòng)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(dòng)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(gè)NMOS和一個(gè)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(dòng)到邏輯高電壓時(shí)，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(dòng)到邏輯低電壓時(shí)，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(dòng)態(tài)功耗

每當(dāng)電流流過導(dǎo)電元件時(shí)，就會(huì)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(huì)消耗功率。這種動(dòng)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(gè)。

開關(guān)功耗

當(dāng)輸入邏輯轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)，為了對電路中的電容進(jìn)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(shí)，電流流動(dòng)以對負(fù)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(dòng)。

圖2:在低到高輸出轉(zhuǎn)換期間充電電流的流動(dòng)。

電流也在從高到低的輸出轉(zhuǎn)換過程中流動(dòng)（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(dòng)。

圖3。在高輸出到低輸出轉(zhuǎn)換期間的放電電流的流動(dòng)。

為了估計(jì)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(fù)載電容

f是開關(guān)頻率。

CL×VDD2計(jì)算一個(gè)開關(guān)周期所需的能量。為了將這個(gè)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(dòng)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(shí)，其兩個(gè)晶體管中的一個(gè)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(shí)，會(huì)有一個(gè)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(shí)，能量會(huì)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(huì)發(fā)生穩(wěn)態(tài)功耗”之類的話。事實(shí)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(jì)算得到的功率耗散：

等式3。

動(dòng)態(tài)功耗過去遠(yuǎn)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(xiàn)接近動(dòng)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(huì)增加。

總結(jié)

CMOS反相器既可用作獨(dú)立的邏輯運(yùn)算，也可用作高階邏輯運(yùn)算的組件。CMOS反相器也用于在具有低驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)基本邏輯電路的動(dòng)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(xì)地探討動(dòng)態(tài)功耗的主題。