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CMOS 逆变器的功耗

关键词:CMOS 逆变器

时间:2024-05-20 09:35:35      来源:网络

CMOS 反相器的发展为集成电路提供了基本功能,是技术史上的一个转折点。该逻辑电路突出了使 CMOS 非常适合高密度、高性能数字系统的电气特性。

CMOS 反相器的发展为集成电路提供了基本功能,是技术史上的一个转折点。该逻辑电路突出了使 CMOS 非常适合高密度、高性能数字系统的电气特性。

CMOS 的优势之一是其效率。CMOS 逻辑仅在改变状态时才需要电流——仅维持逻辑高或逻辑低电压的 CMOS 电路消耗的功率非常少。一般来说,低功耗是一个理想的特性,当您试图将尽可能多的晶体管功能封装到一个小空间中时,它特别有用。

正如计算机 CPU 风扇提醒我们的那样,充分消除集成电路中的热量可能很困难。如果没有 CMOS 反相器和其他类似的 CMOS 电路,这将会困难得多。在本文(由三部分组成的系列文章的篇)中,我们将回顾 CMOS 逆变器的关键特性,并讨论其两种主要的功耗类型:动态和静态。我们将在接下来的两篇文章中更深入地研究动态功耗。

CMOS 反相器的结构和操作

CMOS反相器由连接在一起的NMOS晶体管和PMOS晶体管组成。图 1 显示了基本 CMOS 反相器的原理图。

基本 CMOS 反相器电路原理图。


图 1. CMOS 数字反相器使用 1 个 NMOS 和 1 个 PMOS 晶体管。

CMOS 反相器的基本操作非常简单:

当输入端被驱动至逻辑高电压时,上方的PMOS晶体管阻断电流,下方的NMOS晶体管传导电流。因此,输出端子通过低电阻路径连接至 0V。

当输入端被驱动至逻辑低电压时,PMOS 导通,NMOS 截止。输出通过低电阻路径连接至V DD。

这样,逻辑高输入创建逻辑低输出,逻辑低输入创建逻辑高输出。

动态功耗

每当电流流过导电元件时就会消耗功率。我们在电功率的基本公式中看到了这种关系: 

P = I 次 V
等式 1。

尽管 CMOS 反相器在稳定状态下不需要电流,但在其逻辑转换期间会消耗功率。这种动态功率损耗有两种类型:

开关功耗。

短路功耗。

让我们分别看一下。

开关功耗

当发生输入逻辑转换时,必须流动瞬态电流,以便对电路中的电容进行充电或放电。在从低到高的输出转换期间,当输出电压增加至V DD时,电流流动以对负载电容充电。图 2 显示了该电流的路径。

从低到高输出转换期间,充电电流流过 CMOS 反相器。

 
图 2.从低到高输出转换期间的充电电流流动。

在从高到低的输出转换期间,电流也会流动(图 3),当输出电压降至地电位时,会对电容进行放电。

在高电平到低电平输出转换期间,放电电流流经 CMOS 反相器。

 
图 3.从高到低输出转换期间的放电电流流动。

为了估计 CMOS 逆变器的开关损耗,我们使用以下公式:

P切换 = CL × V     2DD × f等式2。

在哪里:

C L是预期负载电容
f是开关频率。

C L × V DD 2计算一个开关周期所需的能量。为了将该结果从能量转换为功率,我们将其乘以每秒的周期数 ( f ),得出上面的等式。

短路功耗

另一种类型的动态功耗是由短路电流引起的。也称为直通电流,这是逆变器逻辑电平转换期间发生的瞬态情况。

当 CMOS 反相器处于逻辑状态时,其两个晶体管之一处于非导通模式。因此,电流不容易从V DD流向地。然而,当反相器改变状态时,会出现一个短暂的交叉周期,在此期间,NMOS 和 PMOS 都具有一定程度的导电性。当电流流过由此产生的短路时,能量就会损失(图 4)。

短路电流发生在逆变器逻辑电平转换期间。


图 4. NMOS 和 PMOS 晶体管在逻辑电平转换期间短暂产生短路,允许电流从VDD流向接地。

静态功耗

在整篇文章中,我都避免说“CMOS 逆变器中不会出现稳态功耗”之类的话。事实上,场效应晶体管并不是理想的开关。即使在关断状态下,漏电流也可能从漏极流向源极以及从漏极或源极流向衬底。

如果这些漏电流的大小已知,则可以使用以下公式计算产生的功耗:

P静态 = I泄漏 次 VDD
 等式 3。

过去动态功耗远高于静态功耗。如今,静电功率可能非常大。随着 CMOS 特征尺寸的减小,其对总耗散的贡献接近于动态功耗。

请注意静态功耗是工作温度的函数。随着温度升高,静态功耗也会增加。

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