4.3.1 CMOS反相器动态特性——功耗.pdfVIP

数字CMOS集成电路设计基础

4.3.1CMOS反相器动态特性——功耗

4.3.1CMOS反相器动态特性——功耗

总功耗

由充放电电容引起的功耗动态功耗

直接通路电流引起的功耗

静态功耗

泄漏电流引起的功耗

4.3.1CMOS反相器动态特性——功耗

由充放电电容引起的功耗

每当电容C通过PMOS管充电时，它的电压从0升至V，此时从电源

LDD

吸取了一定数量的能量。该能量的一部分消耗在PMOS器件中，而其余则

存放在负载电容上，在由高至低的翻转期间，这一电容被放电，于是存放

的能量被消耗在NMOS管中。

可以推导出这一能耗的精确结果。让我们首先考虑由低至高的翻转。

先假设输入波形具有为零的上升和下降时间，或者说NMOS和PMOS器件

决不会同时导通。因此可以用图5.25的等效电路来表示，在这一翻转期间

从电源中取得的能量EVDD以及在翻转结束时在电容上存储的能量EC可以

通过在相应周期上对瞬时功耗积分而求得：

充电放电

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由充放电电容引起的功耗

这些结果也可以通过观察得出在由低至高翻转期间C被充以电荷CV。提供

LLDD

这些电荷需要从电源得到等于CV2(=Q×V)的能量。存放在电容中的能量等于

LDDDD

CV2/2.，这意味着由电源提供的能量只有一半是存放在C上的，另一半则由

LDDL

PMOS管消耗了。

注意，这一能耗与PMOS器件的尺寸(因而也与电阻)无关！在放电阶段，电荷从

电容上移去，因此它的能量消耗在NMOS器件中。同样，这一能耗与NMOS器件的

尺寸无关。总之，每一个开关周期(由L→H和H→L翻转组成)都需要一个固定数量

的能量，即CV2。为了计算功耗，我们必须考虑器件的开关频率。如果这个门每

LDD

秒通断f0→1次，则功耗等于：

式中，f0→1代表消耗能量的翻转的频率(对于静态CMOS为0→1翻转)。

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由充放电电容引起的功耗

工艺的进步使f不断提高（随着t的缩小）。与此同时，随着越来越多的门放

0→1p

在单片上，芯片上的总电容(C)也在增加。例如，考虑一个0.25μm的CMOS芯片，

L

时钟频率为500MHz，平均负载电容15fF/门，假设扇出数为4。于是对于一个2.5V

的电源，每个门的功耗约等于50μW。

对于一个100万门的设计，假设在每个时钟边沿处发生一次翻转，这将导致50W

的功耗！幸运的是，这一估计是一个悲观的估计。实际上在整片IC中并不是所有的

门都是以500MHz的全速率来开关的。在电路中实际的活动性要小得多。

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由充放电电容引起的功耗

例5.11反相器的电容功耗