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)載電容充電時(shí)才消耗電源電流，而負(fù)載電容通過輸入管放電時(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)，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)周期內(nèi)消耗的總能量。具體計(jì)算如下：

在dt時(shí)間內(nèi)消耗的能量為：

由于

hem d所以將（2-89）式改為：

對(duì)（2-90）式積分，在這段時(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：

每個(gè)周期的平均功耗：

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。此外還有靜態(tài)功耗，因此MOS倒相器的總功耗為：

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，，輸入信號(hào)的重復(fù)頻率為，總負(fù)載電容O，求總功耗。

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：

其中是測量直流電源的總電流。

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