CMOS反相器的功耗

本文解释了CMOS反相器电路中的动态和静态功耗。

为集成电路提供基本功能的CMOS反相器的发展是技术史上的一个转折点。这种逻辑电路突出了使CMOS特别适合高密度、高性能数字系统的电气特性。

CMOS的一个优点是它的效率。CMOS逻辑只有在改变状态时才需要电流——简单地保持逻辑高或逻辑低电压的CMOS电路消耗的功率非常小。一般来说，低功耗是一个理想的功能，当你试图将尽可能多的晶体管功能封装在一个小空间中时，这尤其有益。

正如计算机CPU爱好者提醒我们的那样，充分去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，这将更加困难。在这篇由三部分组成的系列文章中，我们将回顾CMOS反相器的关键特性，并讨论其两种主要的功耗类型：动态和静态。在接下来的两篇文章中，我们将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反相器的示意图。

基本CMOS反相器电路的示意图。

图1。CMOS数字反相器使用一个NMOS和一个PMOS晶体管。

CMOS反相器的基本操作非常简单：

当输入端被驱动到逻辑高电压时，上PMOS晶体管阻断电流，下NMOS晶体管传导电流。因此，输出端子通过低电阻路径连接到0V。

当输入端子被驱动到逻辑低电压时，PMOS导通并且NMOS截止。输出通过低电阻路径连接到VDD。

以这种方式，逻辑高输入产生逻辑低输出，而逻辑低输入产生逻辑高输出。

动态功耗

每当电流流过导电元件时，就会消耗电力。我们在电力的基本公式中看到了这种关系：

等式1。

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

开关功耗。

短路功耗。

让我们来看看每一个。

开关功耗

当输入逻辑转换发生时，为了对电路中的电容进行充电或放电，必须流过瞬态电流。在从低到高的输出转换期间，当输出电压增加到VDD时，电流流动以对负载电容充电。图2显示了这股电流所经过的路径。

在从低到高的输出转换过程中，通过CMOS反相器的充电电流的流动。

图2:在低到高输出转换期间充电电流的流动。

电流也在从高到低的输出转换过程中流动（图3），随着输出电压降低到地电位，电容放电。

在高到低输出转换期间，通过CMOS反相器的放电电流的流动。

图3。在高输出到低输出转换期间的放电电流的流动。

为了估计CMOS反相器的开关损耗，我们使用以下方程：

等式2。

都是什么

CL是预期的负载电容

f是开关频率。

CL×VDD2计算一个开关周期所需的能量。为了将这个结果从能量转换为功率，我们将其乘以每秒循环次数（f），得到上面的方程。

短路功率耗散

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

当CMOS反相器稳定在逻辑状态时，其两个晶体管中的一个处于非导通模式。因此，电流不容易从VDD流到地。然而，当反相器改变状态时，会有一个短暂的交叉期，在此期间NMOS和PMOS都具有一定程度的导电性。当电流流过产生的短路时，能量会损失（图4）。

短路电流发生在逆变器的逻辑电平转换期间。

图4。NMOS和PMOS晶体管在逻辑电平转换期间短暂地产生短路，允许电流从VDD流到地。

静态功耗

在这篇文章中，我避免说“CMOS反相器中绝对不会发生稳态功耗”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，漏电流也可以从漏极流到源极，以及从漏极或源极流到衬底。

如果这些泄漏电流的大小是已知的，则可以使用以下公式计算得到的功率耗散：

等式3。

动态功耗过去远高于静态功耗。如今，静态功率可能非常重要。随着CMOS特征尺寸的减小，其对总功耗的贡献接近动态功率。

最后，请注意，静态功率是工作温度的函数。随着温度的升高，静态功耗也会增加。

总结

CMOS反相器既可用作独立的逻辑运算，也可用作高阶逻辑运算的组件。CMOS反相器也用于在具有低驱动能力的数字电路的输出处创建缓冲器。反相器提供模拟放大以减少信号的上升和下降时间。它们还可以将信号恢复到完全逻辑电平。

在这篇文章中，我们简要地讨论了CMOS反相器的操作，并检查了这个基本逻辑电路的动态和静态功耗。在本系列的下两篇文章中，我们将使用LTspice模拟来更详细地探讨动态功耗的主题。