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              CMOS倒相器功耗討論分析詳解

              信息來源: 時間:2020-11-5

              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image.png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image.png充電時才消耗電源電流,而負載電容image.png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image.png,只有輸入為低電平時負載管才導通,并對負載電容image.png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image.png內消耗的總能量。具體計算如下:

              CMOS倒相器功耗討論

              在dt時間內消耗的能量為:

              CMOS倒相器功耗討論

              由于 CMOS倒相器功耗討論

              hem d所以將(2-89)式改為:

              CMOS倒相器功耗討論

              對(2-90)式積分,在image.png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:

              CMOS倒相器功耗討論

              每個周期的平均功耗:

              CMOS倒相器功耗討論

              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image.png。此外還有靜態功耗image.png,因此MOS倒相器的總功耗為:

              image.png

              image.png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,image.png,輸入信號的重復頻率為CMOS倒相器功耗討論,總負載電容Oimage.png,求總功耗。

              image.png

              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:

              CMOS倒相器功耗討論

              其中CMOS倒相器功耗討論是測量直流電源的總電流。


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