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，只有负载电容充电时才消耗电源电流，而负载电容通过输入管放电时，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，只有输入为低电平时负载管才导通，并对负载电容充电，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，就等于一个周期内消耗的总能量。具体计算如下：

在dt时间内消耗的能量为：

由于

hem d所以将（2-89）式改为：

对（2-90）式积分，在这段时间内，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：

每个周期的平均功耗：

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。此外还有静态功耗，因此MOS倒相器的总功耗为：

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，，输入信号的重复频率为，总负载电容O，求总功耗。

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：

其中是测量直流电源的总电流。

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