CMOS逆變器的功耗介紹

CMOS 反相器的發(fā)展為集成電路提供了基本功能，是技術(shù)史上的一個轉(zhuǎn)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(shù)字系統(tǒng)。

CMOS 的優(yōu)勢之一是其效率。CMOS 邏輯僅在改變狀態(tài)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少。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，充分消除集成電路中的熱量可能很困難。如果沒有 CMOS 反相器和其他類似的 CMOS 電路，這將會困難得多。在本文（由三部分組成的系列文章的第一篇）中，我們將回顧 CMOS 逆變器的關(guān)鍵特性，并討論其兩種主要的功耗類型：動態(tài)和靜態(tài)。我們將在接下來的兩篇文章中更深入地研究動態(tài)功耗。

CMOS 反相器的結(jié)構(gòu)和操作

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

圖 1.CMOS 數(shù)字反相器使用 1 個 NMOS 和 1 個 PMOS 晶體管。

CMOS 反相器的基本操作非常簡單：

當輸入端被驅(qū)動至邏輯高電壓時，上方的PMOS晶體管阻斷電流，下方的NMOS晶體管傳導電流。因此，輸出端子通過低電阻路徑連接至 0V。

當輸入端被驅(qū)動至邏輯低電壓時，PMOS 導通，NMOS 截止。輸出通過低電阻路徑連接至VDD。

這樣，邏輯高輸入創(chuàng)建邏輯低輸出，邏輯低輸入創(chuàng)建邏輯高輸出。

動態(tài)功耗

每當電流流過導電元件時就會消耗功率。我們在電功率的基本公式中看到了這種關(guān)系：

盡管 CMOS 反相器在穩(wěn)定狀態(tài)下不需要電流，但在其邏輯轉(zhuǎn)換期間會消耗功率。這種動態(tài)功率損耗有兩種類型：

開關(guān)功耗。

短路功耗。

讓我們分別看一下。

開關(guān)功耗

當發(fā)生輸入邏輯轉(zhuǎn)換時，必須流動瞬態(tài)電流，以便對電路中的電容進行充電或放電。在從低到高的輸出轉(zhuǎn)換期間，當輸出電壓增加至VDD時，電流流動以對負載電容充電。圖 2 顯示了該電流的路徑。

圖 2.從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的充電電流流動。

在從高到低的輸出轉(zhuǎn)換期間，電流也會流動（圖 3），當輸出電壓降至地電位時，會對電容進行放電。

圖 3.從高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的放電電流流動。

為了估計 CMOS 逆變器的開關(guān)損耗，我們使用以下公式：

在這里：

CL是預(yù)期負載電容

f是開關(guān)頻率。

CL×VDD2計算一個開關(guān)周期所需的能量。為了將該結(jié)果從能量轉(zhuǎn)換為功率，我們將其乘以每秒的周期數(shù) (f)，得出上面的等式。

短路功耗

另一種類型的動態(tài)功耗是由短路電流引起的。也稱為直通電流，這是逆變器邏輯電平轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的瞬態(tài)情況。

當 CMOS 反相器處于邏輯狀態(tài)時，其兩個晶體管之一處于非導通模式。因此，電流不容易從VDD流向地。然而，當反相器改變狀態(tài)時，會出現(xiàn)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(chǎn)生的短路時，能量就會損失（圖 4）。

圖 4.NMOS 和 PMOS 晶體管在邏輯電平轉(zhuǎn)換期間短暫產(chǎn)生短路，允許電流從VDD流向接地。

靜態(tài)功耗

在整篇文章中，我都避免說“CMOS 逆變器中絕對不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)功耗”之類的話。事實上，場效應(yīng)晶體管并不是理想的開關(guān)。即使在關(guān)斷狀態(tài)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(chǎn)生的功耗：

過去動態(tài)功耗遠高于靜態(tài)功耗。如今，靜電功率可能非常大。隨著 CMOS 特征尺寸的減小，其對總耗散的貢獻接近于動態(tài)功耗。

最后，請注意靜態(tài)功耗是工作溫度的函數(shù)。隨著溫度升高，靜態(tài)功耗也會增加。

總結(jié)

CMOS 反相器既可用作獨立邏輯運算，也可用作高階邏輯運算的組件。CMOS 反相器還用于在驅(qū)動能力較低的數(shù)字電路的輸出端創(chuàng)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(fù)到完整的邏輯電平。