CMOS數(shù)字電路靜態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)功耗大的原因

以前，在做數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，總聽到說，CMOS數(shù)字電路靜態(tài)時(shí)，基本沒有功耗，但是當(dāng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，功耗就上來了。

但是，為啥子呢？

今天，總算是明白了。

CMOS反相器算是CMOS數(shù)字電路中的基礎(chǔ)電路，所以下面就以CMOS反相器為例，來看看原因。

理想的反相器模型和電路特性如上圖所示。

也就是，當(dāng)VinV1時(shí)，輸出為0.

而反相器的內(nèi)部電路如下圖所示。

假設(shè)Vin也只有兩個(gè)電平，0V和VDD。

從反相器的理想電路特性看的話，電路可以簡單地將M1和M2看成開關(guān)電路，當(dāng)Vin=0V時(shí)，M2打開，M1關(guān)斷，此時(shí)Vout=VDD;當(dāng)Vin=VDD時(shí)，M2關(guān)斷，M1打開，此時(shí)Vout=0V。

但是，仔細(xì)看看的話，上述的兩種狀態(tài)只是反相器開始和結(jié)束時(shí)候的狀態(tài)。而在輸入的電平從低到高變化時(shí)，M1和M2的狀態(tài)經(jīng)歷了很多種。

需要注意的是，M1和M2晶體管，在所有情況下，流過的電流都相等，當(dāng)然前提是反相器后面沒有加負(fù)載。

在看下面內(nèi)容前，先溫習(xí)一下NMOS和PMOS進(jìn)入線性區(qū)和飽和區(qū)所需要的條件。這樣，當(dāng)你知道VGS,VDS時(shí)，可以對照著下圖，看管子是處于飽和區(qū)還是線性區(qū)。

當(dāng)管子處于線性區(qū)時(shí)，MOS管等效于一個(gè)電阻，而且當(dāng)VGS進(jìn)一步升高，管子進(jìn)入深度線性區(qū)時(shí)，這個(gè)電阻值Ron很小。

現(xiàn)在正式開始。假設(shè)Vin要開始從0V變到VDD。

狀態(tài)1：

(1) 假設(shè)Vin=0,

此時(shí)對于M1來說，VGS1=Vin

而對于M2來說，VGS=-VDD,VDS=0V，滿足|VGS|>|VTH2|, |VDS|<|VGS|-|VTH|，所以M2處于線性區(qū)。

也就是說，M1關(guān)斷，M2等效于一個(gè)很小的電阻，即M2處于打開狀態(tài)。

此時(shí)，流過M1和M2的電流為0.

但是M2怎么能在電流I2=I1=0時(shí)，仍然處于打開的狀態(tài)呢？

這只有當(dāng)Vds2=0時(shí)，才可能成立。

即

因此，Vout=VDD。

(2) 當(dāng)Vin升高時(shí)，|Vgs2|開始降低，同時(shí)它的Ron開始增加。

但是因?yàn)閂in

狀態(tài)2：

(3) 當(dāng)Vin稍大于VTH1時(shí)，M1打開，M1和M2中開始有電流。因?yàn)閂out仍然接近于VDD，所以M1工作在飽和區(qū)，而M2處在線性區(qū)。

因?yàn)榱鬟^M1和M2的電流相等。

解上面這樣一個(gè)方程，最后得到Vout隨Vin變化的函數(shù)，顯然是比較復(fù)雜的。

但是定性分析一下的話，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Vin升高時(shí)，Id和M2的溝道電阻都在增大，所以Vout必然繼續(xù)下降。

狀態(tài)3：

(4) Vout繼續(xù)降低，降低到Vout=Vin+|VTH2|，M2即將退出線性區(qū)，進(jìn)入飽和區(qū)。

此時(shí)M1的漏極電壓為Vout，柵極電壓為Vin，且Vout>Vin，所以Vgd=Vin-Vout<0

此時(shí)：

但是上述的等式中，沒有Vout，所以沒法根據(jù)這個(gè)式子推出Vout與Vin的關(guān)系。

但是，如果考慮上溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則：

當(dāng)Vin繼續(xù)下降一點(diǎn)點(diǎn)，使得Vin=Vout時(shí)，M1和M2都處于飽和區(qū)，稱Vin=Vout時(shí)的輸入電平為trip point，也稱為反相器的switching threshold.

狀態(tài)4：

(6) :Vin繼續(xù)升高時(shí)，Vout繼續(xù)下降，當(dāng)Vin-Vout>VTH1時(shí)，M1進(jìn)入線性區(qū)，M2仍然處于飽和區(qū)。

狀態(tài)5：

(7) 當(dāng)Vin繼續(xù)上升，達(dá)到VDD-|VTH2|時(shí)，M2關(guān)斷，M1處于線性區(qū)，此時(shí)M1類似于一個(gè)流過電流為0的電阻。

此時(shí)流過M1和M2的電流又變?yōu)?.

把這5個(gè)狀態(tài)放到一幅圖上時(shí)，如下。

所以，當(dāng)反相器工作時(shí)，管子的狀態(tài)并不是簡單的關(guān)斷和打開，而是經(jīng)歷了一系列的狀態(tài)。

從上面的分析可知，只有在狀態(tài)1和狀態(tài)5時(shí)，流經(jīng)管子的電流為0；但在中間態(tài)時(shí)，流經(jīng)管子的電流均不為0.也就是說，靜態(tài)時(shí)功耗為0，動(dòng)態(tài)時(shí)有功耗。

在設(shè)計(jì)CMOS反相器時(shí)，希望CMOS的轉(zhuǎn)換電平(switching threshold)為VDD/2。

由上面的分析可知，當(dāng)Vin=Vout時(shí)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)稱為switching threshold，而此時(shí)M1和M2都處于飽和區(qū)。

所以，

因?yàn)?PMOS 遷移率約為 NMOS 遷移率的三分之一到二分之一，所以，M2 的寬度通常是 M1 的兩倍到三倍。