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CMOS反相器的功耗分析

2024-05-17 11:40:34 EETOP
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本文將介紹CMOS反相器電路中的動態和靜態功耗。

CMOS反相器的發展為集成電路提供了必要的功能,是技術史上的一個轉折點。該邏輯電路突出了 CMOS 獨特的電氣特性,非常適合高密度、高性能數字系統。

CMOS 的優勢之一是其效率。CMOS 邏輯僅在改變狀態時才需要電流——僅維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特性,當您試圖將盡可能多的晶體管功能封裝到一個小空間中時,它特別有用。

正如計算機 CPU 風扇提醒我們的那樣,從集成電路中充分去除熱量可能很困難。如果沒有CMOS反相器和其他類似的CMOS電路,這將更加困難。本文將回顧 CMOS反相器的主要特性,并討論其兩種主要的功耗類型:動態和靜態。

CMOS反相器的結構和工作原理

CMOS反相器由NMOS晶體管和PMOS晶體管連接在一起組成。圖1顯示了基本CMOS反相器的原理圖。

image.png

圖 1. CMOS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:

  • 當輸入端被驅動至邏輯高電壓時,上部PMOS晶體管阻斷電流,下部NMOS晶體管導通電流。因此,輸出端子通過低電阻路徑連接到0 V。

  • 當輸入端被驅動至邏輯低電壓時,PMOS導通,NMOS阻斷。輸出通過低電阻路徑連接到VDD型.

這樣,邏輯高電平輸入產生邏輯低電平輸出,邏輯低電平輸入產生邏輯高電平輸出。

動態功耗

每當電流流過導電元件時,就會消耗功率。我們在功率的基本公式中看到了這種關系:P = I x V 雖然CMOS反相器在穩態下不需要電流,但在其邏輯轉換過程中會消耗功率。這種動態功率損耗有兩種類型:

  • 開關功耗。

  • 短路功耗。

開關功耗

當輸入邏輯轉換發生時,瞬態電流必須流動,以便對電路中的電容進行充電或放電。在低輸出到高輸出轉換期間,電流流動以對負載電容進行充電,因為輸出電壓增加到VDD型.圖 2 顯示了該電流所采用的路徑。

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圖2.從低輸出到高輸出轉換期間的充電電流。

電流也會在高低輸出轉換期間流動(圖 3),當輸出電壓降至地電位時,電容會放電。

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圖3.從高到低輸出轉換期間的放電電流。

為了估算CMOS反相器的開關損耗,我們使用以下公式:

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公式中:

CL 是預期的負載電容
f 是開關頻率。
CL × VDD2計算一個開關周期所需的能量。為了將這個結果從能量轉換為功率,我們將其乘以每秒循環次數 (f),得到上面的等式。

短路功耗

另一種動態功耗是由短路電流引起的。也稱為擊穿電流,這是反相器邏輯電平轉換期間發生的瞬態情況。

當 CMOS 反相器處于邏輯狀態時,其兩個晶體管之一處于非導通模式。因此,電流不容易從V DD流向地。然而,當反相器改變狀態時,會出現一個短暫的交叉周期,在此期間,NMOS 和 PMOS 都具有一定程度的導電性。當電流流過由此產生的短路時,能量就會損失(圖 4)。

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圖 4. NMOS 和 PMOS 晶體管在邏輯電平轉換期間短暫產生短路,會使電流從VDD流向地。

靜態功耗

在整篇文章中,我們都避免說“CMOS 反相器中絕對不會出現穩態功耗”之類的話。事實上,場效應晶體管并不是理想的開關。即使在關斷狀態下,漏電流也可以從漏極流向源極以及從漏極或源極流向襯底。

如果這些漏電流的大小已知,則可以使用以下公式計算產生的功耗:

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過去,動態功耗遠高于靜態功耗。如今,靜態功耗可能很大。隨著CMOS特征尺寸的減小,其對總功耗的貢獻接近動態功耗。

最后,請注意,靜態功耗是工作溫度的函數。隨著溫度的升高,靜態功耗也會增加。

結束語

CMOS反相器既可以作為獨立的邏輯運算,也可以作為高階邏輯運算的組件。CMOS 反相器還用于在驅動能力較低的數字電路的輸出端創建緩沖器。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到完整的邏輯電平。

來源:EETOP編譯自allaboutcircuits


關鍵詞: CMOS CMOS反相器

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