CMOS逆变器的功耗

CMOS 反相器的发展为集成电路提供了基本功能，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少。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，充分消除集成电路中的热量可能很困难。如果没有 CMOS 反相器和其他类似的 CMOS 电路，这将会困难得多。在本文（由三部分组成的系列文章的第一篇）中，我们将回顾 CMOS 逆变器的关键特性，并讨论其两种主要的功耗类型：动态和静态。我们将在接下来的两篇文章中更深入地研究动态功耗。

CMOS 反相器的结构和操作

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

图 1. CMOS 数字反相器使用 1 个 NMOS 和 1 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，上方的PMOS晶体管阻断电流，下方的NMOS晶体管传导电流。因此，输出端子通过低电阻路径连接至 0V。

• 当输入端被驱动至逻辑低电压时，PMOS 导通，NMOS 截止。输出通过低电阻路径连接至V DD。

这样，逻辑高输入创建逻辑低输出，逻辑低输入创建逻辑高输出。

动态功耗

每当电流流过导电元件时就会消耗功率。我们在电功率的基本公式中看到了这种关系：

尽管 CMOS 反相器在稳定状态下不需要电流，但在其逻辑转换期间会消耗功率。这种动态功率损耗有两种类型：

• 开关功耗。

• 短路功耗。

让我们分别看一下。

开关功耗

当发生输入逻辑转换时，必须流动瞬态电流，以便对电路中的电容进行充电或放电。在从低到高的输出转换期间，当输出电压增加至V DD时，电流流动以对负载电容充电。图 2 显示了该电流的路径。

图 2.从低到高输出转换期间的充电电流流动。

在从高到低的输出转换期间，电流也会流动（图 3），当输出电压降至地电位时，会对电容进行放电。

图 3.从高到低输出转换期间的放电电流流动。

为了估计 CMOS 逆变器的开关损耗，我们使用以下公式：

在这里：

C L是预期负载电容

f是开关频率。

C L × V DD 2计算一个开关周期所需的能量。为了将该结果从能量转换为功率，我们将其乘以每秒的周期数 ( f )，得出上面的等式。

短路功耗

另一种类型的动态功耗是由短路电流引起的。也称为直通电流，这是逆变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，允许电流从VDD流向接地。

静态功耗

在整篇文章中，我都避免说“CMOS 逆变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，静电功率可能非常大。随着 CMOS 特征尺寸的减小，其对总耗散的贡献接近于动态功耗。

最后，请注意静态功耗是工作温度的函数。随着温度升高，静态功耗也会增加。

总结

CMOS 反相器既可用作独立逻辑运算，也可用作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。

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