CMOS反相器的功耗分析

CMOS反相器的发展为集成电路提供了必要的功能，是技术史上的一个转折点。该逻辑电路突出了 CMOS 独特的电气特性，非常适合高密度、高性能数字系统。

CMOS 的优势之一是其效率。CMOS 逻辑仅在改变状态时才需要电流——仅维持逻辑高或逻辑低电压的 CMOS 电路消耗的功率非常小。一般来说，低功耗是一个理想的特性，当您试图将尽可能多的晶体管功能封装到一个小空间中时，它特别有用。

正如计算机 CPU 风扇提醒我们的那样，从集成电路中充分去除热量可能很困难。如果没有CMOS反相器和其他类似的CMOS电路，这将更加困难。本文将回顾 CMOS反相器的主要特性，并讨论其两种主要的功耗类型：动态和静态。

CMOS反相器的结构和工作原理

CMOS反相器由NMOS晶体管和PMOS晶体管连接在一起组成。图1显示了基本CMOS反相器的原理图。

图 1. CMOS反相器使用一个NMOS和一个PMOS晶体管。

CMOS反相器的基本操作非常简单：

• 当输入端被驱动至逻辑高电压时，上部PMOS晶体管阻断电流，下部NMOS晶体管导通电流。因此，输出端子通过低电阻路径连接到0 V。

• 当输入端被驱动至逻辑低电压时，PMOS导通，NMOS阻断。输出通过低电阻路径连接到VDD型.

这样，逻辑高电平输入产生逻辑低电平输出，逻辑低电平输入产生逻辑高电平输出。

动态功耗

每当电流流过导电元件时，就会消耗功率。我们在功率的基本公式中看到了这种关系：P = I x V 虽然CMOS反相器在稳态下不需要电流，但在其逻辑转换过程中会消耗功率。这种动态功率损耗有两种类型：

• 开关功耗。

• 短路功耗。

开关功耗

当输入逻辑转换发生时，瞬态电流必须流动，以便对电路中的电容进行充电或放电。在低输出到高输出转换期间，电流流动以对负载电容进行充电，因为输出电压增加到VDD型.图 2 显示了该电流所采用的路径。

图2.从低输出到高输出转换期间的充电电流。

电流也会在高低输出转换期间流动（图 3），当输出电压降至地电位时，电容会放电。

图3.从高到低输出转换期间的放电电流。

为了估算CMOS反相器的开关损耗，我们使用以下公式：

公式中：

短路功耗

另一种动态功耗是由短路电流引起的。也称为击穿电流，这是反相器逻辑电平转换期间发生的瞬态情况。

当 CMOS 反相器处于逻辑状态时，其两个晶体管之一处于非导通模式。因此，电流不容易从V DD流向地。然而，当反相器改变状态时，会出现一个短暂的交叉周期，在此期间，NMOS 和 PMOS 都具有一定程度的导电性。当电流流过由此产生的短路时，能量就会损失（图 4）。

图 4. NMOS 和 PMOS 晶体管在逻辑电平转换期间短暂产生短路，会使电流从VDD流向地。

静态功耗

在整篇文章中，我们都避免说“CMOS 反相器中绝对不会出现稳态功耗”之类的话。事实上，场效应晶体管并不是理想的开关。即使在关断状态下，漏电流也可以从漏极流向源极以及从漏极或源极流向衬底。

如果这些漏电流的大小已知，则可以使用以下公式计算产生的功耗：

过去，动态功耗远高于静态功耗。如今，静态功耗可能很大。随着CMOS特征尺寸的减小，其对总功耗的贡献接近动态功耗。

最后，请注意，静态功耗是工作温度的函数。随着温度的升高，静态功耗也会增加。

结束语

CMOS反相器既可以作为独立的逻辑运算，也可以作为高阶逻辑运算的组件。CMOS 反相器还用于在驱动能力较低的数字电路的输出端创建缓冲器。反相器提供模拟放大以减少信号的上升和下降时间。它们还可以将信号恢复到完整的逻辑电平。

来源：EETOP编译自allaboutcircuits