模拟CMOS逆变器的开关功耗

时间： 2024-09-10 来源：TOPPOWER官网

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我们不会进一步讨论静态功耗。相反，本文和下一篇文章将介绍SPICE仿真，以帮助您更全面地了解逆变器的不同类型的动态功耗。本文重点讨论开关功率——输出电压变化时电容充电和放电所消耗的功率。

LTspice逆变器实施。

图1.CMOS反相器的LTspice实现。

图1 显示了我们将使用的基本LTspice逆变器原理图。

在LTspice中指定逆变器MOSFET的尺寸。

在此实现中，我们使用LTspice 组件库中的NMOS4和PMOS4 MOSFET。指定FET的长度和宽度非常简单-只需右键单击电路符号，LTspice将打开图2中的窗口。

图2.在LTspice中指定MOSFET尺寸。

我们将采用老式方法（该工艺节点于2000年代初引入），并对两个MOSFET使用90nm长度。对于NMOS，我选择了 150nm宽度。PMOS宽度遵循经验法则，即它应比NMOS宽约2.5倍。

额外的宽度补偿了PMOS晶体管的较低迁移率，有助于均衡反相器的上升时间和下降时间。您可以分别在图3和图4 中看到下降和上升输出转换。

模拟高到低输出转换。

图3.模拟CMOS反相器从高到低的输出转换。下降时间（90%至10%）为610ns。

模拟低到高输出转换。

图4.模拟CMOS反相器从低到高的输出转换。上升时间（10%至90%）为390ns。

您可能已经注意到，尽管我上面说过，该逆变器的上升时间和下降时间并不相等。相反，电压图记录了610ns的下降时间和390ns的上升时间。NMOS和PMOS晶体管具有不同的电气性能特性。PMOS比NMOS更宽，使得它们的性能更加相似，但晶体管仍然不完全互补。

模拟充电和放电电流。

CMOS反相器的动态功耗与逻辑状态之间过渡阶段期间流动的两种类型的电流相关。在本文中，我们仅讨论一个：电容充电和放电所需的电流。为了帮助我们检查这一点，我在原始示意图中添加了以下内容：

一个小电容。这表示输出电压变化时必须充电的负载电容。

一个非常大的电阻。这代表连接到逆变器输出端子的高阻抗组件。

LTspice逆变器具有输出电容和负载电阻。

新原理图如图5所示。请记住，在实际电路中，输出电容不仅仅是输出节点上的单个电容。寄生电容和内部电容也会影响总输出电容。

图5.具有输出电容和负载电阻的LTspice逆变器。

图6中的红色迹线显示了在低到高输出转换期间流入该反相器VOUT节点的电流。我通过按住Alt键并单击通向C1和R1的电线将其添加到图中。这是您可能没有意识到的一个方便的LTspice技巧—您可以使用Alt+单击（或Cmd+单击，如果您使用的是Mac）来测量流过电线任何部分的电流。

从低到高输出转换期间的瞬态电流。

图6.从低到高输出转换期间的瞬态电流（红色迹线）。

瞬态两侧的稳态电流可以忽略不计。在瞬变之前，它基本上为零，因为VOUT处于地电位。随着VOUT增加，大量电流必须从VDD流出并流经PMOS晶体管以对C1充电。瞬态过后，VOUT达到新的稳态值VDD。由于R1电阻太大，电流再次极低（约18nA）。

上图中的电流被为正，因为LTspice假设从PMOS漏极流出对C1充电的电流为正。下图（图7）显示了从高到低的输出转换。由于放电电流朝另一个方向流动，因此为负值。

高到低输出转换期间的瞬态电流。

图7.从高到低输出转换期间的瞬态电流（红色迹线）。

当它们流经PMOS或NMOS转换器的电阻时，这些瞬态电流会导致能量损失。这种损耗在前一篇文章“CMOS逆变器的功耗”中进行了解释。

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