CMOS电路主要有动态功耗和静态功耗组成,动态功耗又分为开关功耗、短路功耗(内部功耗)两部分;
1.动态功耗
动态功耗包括:开关功耗或称为反转功耗、短路功耗或者称为内部功耗;
开关功耗:电路在开关过程中对输出节点的负载电容充放电所消耗的功耗。比如对于下面的CMOS非门中:
当Vin=0时,PMOS管导通,NMOS管截止;VDD对负载电容进行充电;
当Vin=1时,PMOS管截止,NMOS管导通;VDD对负载电容进行放电;
这样开关的变化,电源的充放电,形成了开关功耗,开关功耗的计算公式如下:
在上式中,VDD为供电电压,Cload为后级电路等效的电容负载大小,Tr为输入信号的翻转率;
2.短路功耗
由于输入电压波形并不是理想的阶跃输入信号,有一定的上升时间和下降时间,在输入波形上升下降的过程中,在某个电压输入范围内,NMOS和PMOS管都导通,这时就会出现电源到地的直流导通电流,这就是开关过程中的短路功耗。
P管的载流子为空穴,N管的载流子为电子,电子的迁移率大概为空穴的2.5倍,为了使开关的上升时间和下降时间匹配,N管的长度要为P管长度的2倍以上;
3.静态功耗
在CMOS电路中,静态功耗主要是漏电流引起的功耗
对于常规cmos电路,在稳态时不存在直流导通电流,理想情况下静态功耗为0,但是由于泄露电流的存在,使得cmos电路的静态功耗并不为0。CMOS泄露电流主要包括:反偏PN结电流和MOS管的亚阈值电流,所以静态功耗主要由这两部分组成。对于深亚微米MOS器件,还存在很多二级效应引起的附加泄露电流。
静态功耗的计算公式如下,Ipeak为泄漏电流:
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