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CMOS反相器功耗分析,動態(tài)、靜態(tài)功耗-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2024-06-19 

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CMOS反相器功耗分析,動態(tài)、靜態(tài)功耗-KIA MOS管


CMOS反相器功耗

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(qū)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(qū)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(chǎn)生邏輯低電平輸出,邏輯低電平輸入產(chǎn)生邏輯高電平輸出。


動態(tài)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(guān)系:P = I x V 雖然CMOS反相器在穩(wěn)態(tài)下不需要電流,但在其邏輯轉(zhuǎn)換過程中會消耗功率。


這種動態(tài)功率損耗有兩種類型:

開關(guān)功耗

短路功耗


開關(guān)功耗

當輸入邏輯轉(zhuǎn)換發(fā)生時,瞬態(tài)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(zhuǎn)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。

CMOS反相器功耗

圖.從低輸出到高輸出轉(zhuǎn)換期間的充電電流。


電流也會在高低輸出轉(zhuǎn)換期間流動(如圖),當輸出電壓降至地電位時,電容會放電。

CMOS反相器功耗

圖.從高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的放電電流。


為了估算CMOS反相器的開關(guān)損耗,我們使用以下公式:

CMOS反相器功耗

公式中:

CL 是預期的負載電容f 是開關(guān)頻率。CL × VDD2計算一個開關(guān)周期所需的能量。為了將這個結(jié)果從能量轉(zhuǎn)換為功率,我們將其乘以每秒循環(huán)次數(shù) (f),得到上面的等式。


短路功耗

另一種動態(tài)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(zhuǎn)換期間發(fā)生的瞬態(tài)情況。


當 CMOS 反相器處于邏輯狀態(tài)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(tài)時,會出現(xiàn)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(chǎn)生的短路時,能量就會損失(如圖)。

CMOS反相器功耗

圖 . NMOS 和 PMOS 晶體管在邏輯電平轉(zhuǎn)換期間短暫產(chǎn)生短路,會使電流從VDD流向地。


靜態(tài)功耗

理想情況下,CMOS反相器在穩(wěn)態(tài)工作時PMOS與NMOS不會同時導通,這就意味著穩(wěn)態(tài)時電源與地之間沒有通路,不會形成通路電流,靜態(tài)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(tài)功耗為:

CMOS反相器功耗

CMOS反相器形成泄露電流的原因


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