4.3.2 CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗.pdfVIP

数字CMOS集成电路设计基础

4.3.2CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗

4.3.2CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗

直接通路电流引起的功耗

在实际设计中，假设输入波形的上升和下降时间为零

是不正确的。输入信号不为无穷大的斜率造成了开关过程

中V和GND之间在短期内出现一条直流通路，此时NMOS

DD

和PMOS管同时导通。在假设所形成的电流脉冲可近似成

三角形及反相器的上升和下降响应是对称的条件下，可以

计算出每个开关周期消耗的能量如下：

计算平均功耗为：

t*I=C*V

scpeakscDD

tsc代表两个器件同时导通的时间。对于一个直线输入斜率，可以用下式求得他的近似值：

t代表0%-100%的翻转时间。

s

4.3.2CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗

直接通路电流引起的功耗

大电容负载小电容负载

输出的下降时间明显大于输入的输出的下降时间明显小于输入的上升时间，

上升时间，输入在输出开始改变PMOS的源-漏电压在翻转期间的大部分时间

之前就已经通过了过渡区。内等于V，从而引起了最大的短路电流

DD

（等于PMOS的饱和电流）。

4.3.2CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗

直接通路电流引起的功耗

图中画出了在由低至高翻转期间通过

NMOS管的短路电流与负载电容的关系。

这一分析的结论是使输出的上升/下降

时间大于输入的上升/下降时间可以使短路

功耗减到最小。但输出的上升/下降时间太

大会降低电路的速度并在扇出门中引起短

路电流。

这个例子很好地说明了只顾局部优化

而不管全局是如何会引起不良后果的。

4.3.2CMOS反相器功耗——直流通路功耗和静态功耗

直接通路电流引起的功耗

图中画出了一个反相器的短路能耗(归一

于零输入上升时间的能耗）与输入和输出上升

/下降时间之比r之间的关系。

对于一个给定的反相器尺寸(对V=5V，

DD

r2~3)当负载电容太小时，功耗主要来自短路

电流。

对