CMOS倒相器功耗討論分析詳解

CMOS倒相器功耗討論

CMOS電路的靜態功耗很低，可以忽略不計。這里要討論的功耗，主要是由于在開關過程中對負載電容充放電所消耗的動態功耗，現作兩點假設：

①輸入信號是階躍波。在這個假設條件下，輸入管和負載管不會同時出現導通情況。

②輸入信號的重復頻率遠小于倒相器的最高工作頻率。倒相器在轉換過程結束時，負載電容上的電壓都能達到穩定的低電平0V或高電平VDD。CMOS倒相器功耗討論

倒相器的負載電容在充放電過程中，只有負載電容充電時才消耗電源電流，而負載電容通過輸入管放電時，由于負載管截止，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，在一個周期內，只有輸入為低電平時負載管才導通，并對負載電容充電，消耗電源電流。CMOS倒相器功耗討論，在這段時間內，電源消耗的能量，就等于一個周期內消耗的總能量。具體計算如下：

在dt時間內消耗的能量為：

由于

hem d所以將（2-89）式改為：

對（2-90）式積分，在這段時間內，電容兩端的電壓從0充到VDD，所以在這段時間內消耗的總能量為：

每個周期的平均功耗：

f為輸入脈沖的重復頻率。

這個式子表示，在輸入為階躍波的條件下，動態功耗僅與負載電容、工作頻率和電源電壓有關，而與器件的參量無關。

在實際工作中，輸入并不是階躍波，因此要造成顯著的上升和下降時間的延遲。因此，在電平轉換時刻兩只MOS管都部分導通。CMOS倒相器功耗討論，在器件開關期間，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目以及工藝水平有關。當溫度升高時，這種漏電更為明顯。.

例：考慮一個50門的矩陣，，輸入信號的重復頻率為，總負載電容O，求總功耗。

若采用雙極型50個門矩陣，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中，大部分功耗是動態功耗，而靜態功耗可以忽略不計。但工作頻率很低時，靜態功耗與動態功耗相比，就不能被忽略。

實際上，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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