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CMOS倒相器功耗討論分析詳解

信息來源: 時(shí)間:2020-11-5

CMOS倒相器功耗討論分析詳解

CMOS倒相器功耗討論


CMOS電路的靜態(tài)功耗很低,可以忽略不計(jì)。這里要討論的功耗,主要是由于在開關(guān)過程中對(duì)負(fù)載電容充放電所消耗的動(dòng)態(tài)功耗,現(xiàn)作兩點(diǎn)假設(shè):

①輸入信號(hào)是階躍波。在這個(gè)假設(shè)條件下,輸入管和負(fù)載管不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通情況。

②輸入信號(hào)的重復(fù)頻率遠(yuǎn)小于倒相器的最高工作頻率。倒相器在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時(shí),負(fù)載電容image.png上的電壓都能達(dá)到穩(wěn)定的低電平0V或高電平VDD。CMOS倒相器功耗討論


倒相器的負(fù)載電容在充放電過程中,只有負(fù)載電容image.png充電時(shí)才消耗電源電流,而負(fù)載電容image.png通過輸入管放電時(shí),由于負(fù)載管截止,從電源到地沒有直流通路,因此不消耗電源電流。


由圖2-52的輸入波形看出,在一個(gè)周期內(nèi)image.png,只有輸入為低電平時(shí)負(fù)載管才導(dǎo)通,并對(duì)負(fù)載電容image.png充電,消耗電源電流。CMOS倒相器功耗討論,在這段時(shí)間內(nèi),電源消耗的能量,就等于一個(gè)周期image.png內(nèi)消耗的總能量。具體計(jì)算如下:

CMOS倒相器功耗討論

在dt時(shí)間內(nèi)消耗的能量為:

CMOS倒相器功耗討論

由于 CMOS倒相器功耗討論

hem d所以將(2-89)式改為:

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對(duì)(2-90)式積分,在image.png這段時(shí)間內(nèi),電容兩端的電壓從0充到VDD,所以在這段時(shí)間內(nèi)消耗的總能量為:

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每個(gè)周期的平均功耗:

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f為輸入脈沖的重復(fù)頻率。


這個(gè)式子表示,在輸入為階躍波的條件下,動(dòng)態(tài)功耗僅與負(fù)載電容、工作頻率和電源電壓有關(guān),而與器件的參量無關(guān)。


在實(shí)際工作中,輸入并不是階躍波,因此要造成顯著的上升和下降時(shí)間的延遲。因此,在電平轉(zhuǎn)換時(shí)刻兩只MOS管都部分導(dǎo)通。CMOS倒相器功耗討論,在器件開關(guān)期間,不是所有電流都用于電容的充電和放電,而從電源到地有直接通路,所以引起了附加功耗image.png。此外還有靜態(tài)功耗image.png,因此MOS倒相器的總功耗為:

image.png

image.png為總的直流漏電,包括MOS管的截止電流和寄生二極管的反向漏電流,它們與組成電路的器件尺寸及所帶門的數(shù)目以及工藝水平有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí),這種漏電更為明顯。.


例:考慮一個(gè)50門的矩陣,image.png,輸入信號(hào)的重復(fù)頻率為CMOS倒相器功耗討論,總負(fù)載電容Oimage.png,求總功耗。

image.png

若采用雙極型50個(gè)門矩陣,則功耗是CMOS的一百倍,是PMOS的10倍,可見CMOS的功耗最小。


在速度高的電路系統(tǒng)中,大部分功耗是動(dòng)態(tài)功耗,而靜態(tài)功耗可以忽略不計(jì)。但工作頻率很低時(shí),靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗相比,就不能被忽略。

實(shí)際上,倒相器功耗可近似表示為:

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其中CMOS倒相器功耗討論是測量直流電源的總電流。


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