CMOS倒相器功耗讨论分析详解

信息来源: 时间:2020-11-5

CMOS倒相器功耗讨论分析详解

CMOS倒相器功耗讨论


CMOS电路的静态功耗很低,可以忽略不计。这里要讨论的功耗,主要是由于在开关过程中对负载电容充放电所消耗的动态功耗,现作两点假设:

①输入信号是阶跃波。在这个假设条件下,输入管和负载管不会同时出现导通情况。

②输入信号的重复频率远小于倒相器的最高工作频率。倒相器在转换过程结束时,负载电容image.png上的电压都能达到稳定的低电平0V或高电平VDD。CMOS倒相器功耗讨论


倒相器的负载电容在充放电过程中,只有负载电容image.png充电时才消耗电源电流,而负载电容image.png通过输入管放电时,由于负载管截止,从电源到地没有直流通路,因此不消耗电源电流。


由图2-52的输入波形看出,在一个周期内image.png,只有输入为低电平时负载管才导通,并对负载电容image.png充电,消耗电源电流。CMOS倒相器功耗讨论,在这段时间内,电源消耗的能量,就等于一个周期image.png内消耗的总能量。具体计算如下:

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在dt时间内消耗的能量为:

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由于 CMOS倒相器功耗讨论

hem d所以将(2-89)式改为:

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对(2-90)式积分,在image.png这段时间内,电容两端的电压从0充到VDD,所以在这段时间内消耗的总能量为:

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每个周期的平均功耗:

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f为输入脉冲的重复频率。


这个式子表示,在输入为阶跃波的条件下,动态功耗仅与负载电容、工作频率和电源电压有关,而与器件的参量无关。


在实际工作中,输入并不是阶跃波,因此要造成显著的上升和下降时间的延迟。因此,在电平转换时刻两只MOS管都部分导通。CMOS倒相器功耗讨论,在器件开关期间,不是所有电流都用于电容的充电和放电,而从电源到地有直接通路,所以引起了附加功耗image.png。此外还有静态功耗image.png,因此MOS倒相器的总功耗为:

image.png

image.png为总的直流漏电,包括MOS管的截止电流和寄生二极管的反向漏电流,它们与组成电路的器件尺寸及所带门的数目以及工艺水平有关。当温度升高时,这种漏电更为明显。.


例:考虑一个50门的矩阵,image.png,输入信号的重复频率为CMOS倒相器功耗讨论,总负载电容Oimage.png,求总功耗。

image.png

若采用双极型50个门矩阵,则功耗是CMOS的一百倍,是PMOS的10倍,可见CMOS的功耗最小。


在速度高的电路系统中,大部分功耗是动态功耗,而静态功耗可以忽略不计。但工作频率很低时,静态功耗与动态功耗相比,就不能被忽略。

实际上,倒相器功耗可近似表示为:

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其中CMOS倒相器功耗讨论是测量直流电源的总电流。


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