CMOS反相器功耗分析,動態、靜態功耗-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2024-06-19
CMOS反相器由NMOS晶體管和PMOS晶體管連接在一起組成。
當輸入端被驅動至邏輯高電壓時，上部PMOS晶體管阻斷電流，下部NMOS晶體管導通電流。因此，輸出端子通過低電阻路徑連接到0 V。
當輸入端被驅動至邏輯低電壓時，PMOS導通，NMOS阻斷。輸出通過低電阻路徑連接到VDD型。
這樣，邏輯高電平輸入產生邏輯低電平輸出，邏輯低電平輸入產生邏輯高電平輸出。
動態功耗
每當電流流過導電元件時，就會消耗功率。我們在功率的基本公式中看到了這種關系：P = I x V 雖然CMOS反相器在穩態下不需要電流，但在其邏輯轉換過程中會消耗功率。
這種動態功率損耗有兩種類型：
開關功耗
短路功耗
開關功耗
當輸入邏輯轉換發生時，瞬態電流必須流動，以便對電路中的電容進行充電或放電。在低輸出到高輸出轉換期間，電流流動以對負載電容進行充電，因為輸出電壓增加到VDD型.下圖顯示了該電流所采用的路徑。
圖.從低輸出到高輸出轉換期間的充電電流。
電流也會在高低輸出轉換期間流動（如圖），當輸出電壓降至地電位時，電容會放電。
圖.從高到低輸出轉換期間的放電電流。
為了估算CMOS反相器的開關損耗，我們使用以下公式：
公式中：
CL 是預期的負載電容f 是開關頻率。CL × VDD2計算一個開關周期所需的能量。為了將這個結果從能量轉換為功率，我們將其乘以每秒循環次數 （f），得到上面的等式。
短路功耗
另一種動態功耗是由短路電流引起的。也稱為擊穿電流，這是反相器邏輯電平轉換期間發生的瞬態情況。
當 CMOS 反相器處于邏輯狀態時，其兩個晶體管之一處于非導通模式。因此，電流不容易從V DD流向地。然而，當反相器改變狀態時，會出現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。當電流流過由此產生的短路時，能量就會損失（如圖）。
圖 . NMOS 和 PMOS 晶體管在邏輯電平轉換期間短暫產生短路，會使電流從VDD流向地。
靜態功耗
理想情況下，CMOS反相器在穩態工作時PMOS與NMOS不會同時導通，這就意味著穩態時電源與地之間沒有通路，不會形成通路電流，靜態功耗為零，可實際電路里總有一些微弱的泄漏電流Istat流過源或漏與襯底之間的反偏二極管，如圖所示，此時的靜態功耗為：
CMOS反相器形成泄露電流的原因
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