模拟 CMOS 逆变器的开关功耗

news2024/12/23 17:36:04

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 显示了我们将使用的基本 LTspice 逆变器原理图。

LTspice CMOS 反相器。

图 1. CMOS 反相器的 LTspice 实现。

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。

在 LTspice 中指定逆变器 MOSFET 的尺寸。

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 90 nm 长度。对于 NMOS，我选择了 150 nm 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 610 ns。

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 390 ns。

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 610 ns 的下降时间和 390 ns 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。

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。

LTspice 逆变器具有输出电容和负载电阻。

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V OUT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。