CMOS反相器的功耗分析
2024-05-17 11:40:34 EETOPCMOS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。
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。
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。
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。
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。
為了估算CMOS反相器的開關損耗，我們使用以下公式：
公式中：
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）。
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：
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。
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
