CMOS反相器的功耗
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為集成電路提供基本功能的CMOS反相器的發展是技術史上的一個轉折點。這種邏輯電路突出了使CMOS特別適合高密度、高性能數字系統的電氣特性。
CMOS的一個優點是它的效率。CMOS邏輯只有在改變狀態時才需要電流——簡單地保持邏輯高或邏輯低電壓的CMOS電路消耗的功率非常小。一般來說，低功耗是一個理想的功能，當你試圖將盡可能多的晶體管功能封裝在一個小空間中時，這尤其有益。
正如計算機CPU愛好者提醒我們的那樣，充分去除集成電路中的熱量可能很困難。如果沒有CMOS反相器和其他類似的CMOS電路，這將更加困難。在這篇由三部分組成的系列文章中，我們將回顧CMOS反相器的關鍵特性，并討論其兩種主要的功耗類型：動態和靜態。在接下來的兩篇文章中，我們將更深入地研究動態功耗。
CMOS反相器的結構和操作
CMOS反相器由連接在一起的NMOS晶體管和PMOS晶體管組成。圖1顯示了基本CMOS反相器的示意圖。
基本CMOS反相器電路的示意圖。
圖1。CMOS數字反相器使用一個NMOS和一個PMOS晶體管。
CMOS反相器的基本操作非常簡單：
當輸入端被驅動到邏輯高電壓時，上PMOS晶體管阻斷電流，下NMOS晶體管傳導電流。因此，輸出端子通過低電阻路徑連接到0V。
當輸入端子被驅動到邏輯低電壓時，PMOS導通并且NMOS截止。輸出通過低電阻路徑連接到VDD。
以這種方式，邏輯高輸入產生邏輯低輸出，而邏輯低輸入產生邏輯高輸出。
動態功耗
每當電流流過導電元件時，就會消耗電力。我們在電力的基本公式中看到了這種關系：
等式1。
盡管CMOS反相器在穩定狀態下不需要電流，但在其邏輯轉換過程中會消耗功率。這種動態功率損耗有兩種類型：
開關功耗。
短路功耗。
讓我們來看看每一個。
開關功耗
當輸入邏輯轉換發生時，為了對電路中的電容進行充電或放電，必須流過瞬態電流。在從低到高的輸出轉換期間，當輸出電壓增加到VDD時，電流流動以對負載電容充電。圖2顯示了這股電流所經過的路徑。
在從低到高的輸出轉換過程中，通過CMOS反相器的充電電流的流動。
圖2:在低到高輸出轉換期間充電電流的流動。
電流也在從高到低的輸出轉換過程中流動（圖3），隨著輸出電壓降低到地電位，電容放電。
在高到低輸出轉換期間，通過CMOS反相器的放電電流的流動。
圖3。在高輸出到低輸出轉換期間的放電電流的流動。
為了估計CMOS反相器的開關損耗，我們使用以下方程：
等式2。
都是什么
CL是預期的負載電容
f是開關頻率。
CL×VDD2計算一個開關周期所需的能量。為了將這個結果從能量轉換為功率，我們將其乘以每秒循環次數（f），得到上面的方程。
短路功率耗散
另一種類型的動態功耗是由短路電流引起的。也稱為擊穿電流，這是逆變器邏輯電平轉換期間發生的瞬態情況。
當CMOS反相器穩定在邏輯狀態時，其兩個晶體管中的一個處于非導通模式。因此，電流不容易從VDD流到地。然而，當反相器改變狀態時，會有一個短暫的交叉期，在此期間NMOS和PMOS都具有一定程度的導電性。當電流流過產生的短路時，能量會損失（圖4）。
短路電流發生在逆變器的邏輯電平轉換期間。
圖4。NMOS和PMOS晶體管在邏輯電平轉換期間短暫地產生短路，允許電流從VDD流到地。
靜態功耗
在這篇文章中，我避免說“CMOS反相器中絕對不會發生穩態功耗”之類的話。事實上，場效應晶體管并不是理想的開關。即使在關斷狀態下，漏電流也可以從漏極流到源極，以及從漏極或源極流到襯底。
如果這些泄漏電流的大小是已知的，則可以使用以下公式計算得到的功率耗散：
等式3。
動態功耗過去遠高于靜態功耗。如今，靜態功率可能非常重要。隨著CMOS特征尺寸的減小，其對總功耗的貢獻接近動態功率。
最后，請注意，靜態功率是工作溫度的函數。隨著溫度的升高，靜態功耗也會增加。
總結
CMOS反相器既可用作獨立的邏輯運算，也可用作高階邏輯運算的組件。CMOS反相器也用于在具有低驅動能力的數字電路的輸出處創建緩沖器。反相器提供模擬放大以減少信號的上升和下降時間。它們還可以將信號恢復到完全邏輯電平。
在這篇文章中，我們簡要地討論了CMOS反相器的操作，并檢查了這個基本邏輯電路的動態和靜態功耗。在本系列的下兩篇文章中，我們將使用LTspice模擬來更詳細地探討動態功耗的主題。
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