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CMOS反相器開關(guān)功耗的仿真

作者: 時(shí)間:2024-05-22 來源:EEPW編譯 收藏

當(dāng)切換邏輯狀態(tài)時(shí),由于其充電和放電電流而消耗功率。了解如何在中模擬這些電流。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202405/459034.htm

本系列的第一篇文章解釋了中兩大類

動(dòng)態(tài),當(dāng)從一種邏輯狀態(tài)變?yōu)榱硪环N時(shí)發(fā)生。

靜態(tài),由穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間流動(dòng)的泄漏電流引起。

我們不再進(jìn)一步討論靜態(tài)。相反,本文和下一篇文章將介紹SPICE,以幫助您更徹底地了解逆變器的不同類型的動(dòng)態(tài)。本文關(guān)注的是開關(guān)功率——當(dāng)輸出電壓變化時(shí),由于電容充電和放電而消耗的功率。

逆變器的實(shí)現(xiàn)

圖1顯示了我們將要使用的基本逆變器示意圖。

一個(gè)LTspice 反相器。

 

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圖1。CMOS反相器的LTspice實(shí)現(xiàn)。

在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中,我們使用LTspice組件庫中的nmos4和pmos4-MOSFET。指定FET的長度和寬度很容易——只需右鍵單擊電路符號(hào),LTspice就會(huì)打開圖2中的窗口。

指定LTspice中逆變器MOSFET的尺寸。

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圖2:指定LTspice中的MOSFET尺寸。

我們將是老式的——這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)是在21世紀(jì)初引入的——并且兩個(gè)MOSFET都使用90 nm的長度。對于NMOS,我選擇了150nm的寬度。PMOS的寬度遵循經(jīng)驗(yàn)法則,即它應(yīng)該比NMOS寬約2.5倍。

額外的寬度補(bǔ)償了PMOS晶體管中較低的遷移率,有助于均衡逆變器的上升時(shí)間和下降時(shí)間。您可以分別在圖3和圖4中看到下降和上升的輸出轉(zhuǎn)換。

模擬的高到低輸出轉(zhuǎn)換。

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圖3。模擬CMOS反相器的高到低輸出轉(zhuǎn)換。下降時(shí)間(90%到10%)為610納秒。

模擬的從低到高輸出轉(zhuǎn)換。

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圖4。模擬CMOS反相器的低到高輸出轉(zhuǎn)換。上升時(shí)間(10%至90%)為390ns。

你可能已經(jīng)注意到,盡管我在上面說過,這個(gè)逆變器的上升和下降時(shí)間是不相等的。相反,電壓圖記錄了610ns的下降時(shí)間和390ns的上升時(shí)間。默認(rèn)LTspice模型庫中的NMOS和PMOS晶體管具有與我預(yù)期不同的電氣性能特性。

充放電電流模擬

CMOS反相器的動(dòng)態(tài)功耗與在邏輯狀態(tài)之間的過渡階段期間流動(dòng)的兩種類型的電流有關(guān)。在這篇文章中,我們只討論一個(gè):充電和放電電容所需的電流。為了幫助我們檢查這一點(diǎn),我在原始示意圖中添加了以下內(nèi)容:

一個(gè)小電容器。這表示輸出電壓變化時(shí)必須充電的負(fù)載電容。

一個(gè)非常大的電阻器。這表示連接到逆變器輸出端子的高阻抗部件。

新的示意圖如圖5所示。請記住,在實(shí)際電路中,輸出電容不僅僅是輸出節(jié)點(diǎn)上的單個(gè)電容。寄生電容和內(nèi)部電容也對總輸出電容有貢獻(xiàn)。

具有輸出電容和負(fù)載電阻的LTspice逆變器。

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圖5。具有輸出電容和負(fù)載電阻的LTspice逆變器。

圖6中的紅色軌跡顯示了在低到高輸出轉(zhuǎn)換期間流入該逆變器的VOUT節(jié)點(diǎn)的電流。我通過按住Alt鍵并單擊通向C1和R1的導(dǎo)線將其添加到繪圖中。這是一個(gè)你可能沒有意識(shí)到的方便的LTspice技巧——你可以使用Alt+click(如果你在Mac上,則可以使用Cmd+click)來測量流經(jīng)任何導(dǎo)線段的電流。

從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

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圖6。從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流(紅色軌跡)。

穩(wěn)態(tài)電流在瞬態(tài)的兩側(cè)都可以忽略不計(jì)。在瞬態(tài)之前,它基本上是零,因?yàn)閂OUT處于地電位。隨著VOUT的增加,顯著的電流必須從VDD流經(jīng)PMOS晶體管以對C1充電。在瞬態(tài)之后,VOUT在VDD處達(dá)到其新的穩(wěn)態(tài)值。由于R1電阻如此之高,所以電流再次極低(約18nA)。

上面的曲線圖中的電流被報(bào)告為正,因?yàn)長Tspice假設(shè)從PMOS漏極流出以對C1充電的電流是正的。下一個(gè)圖(圖7)顯示了從高到低的輸出轉(zhuǎn)換。由于放電電流是向另一個(gè)方向流動(dòng)的,因此報(bào)告為負(fù)。

高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

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圖7。高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流(紅色軌跡)。

當(dāng)它們流過PMOS或NMOS轉(zhuǎn)換器的電阻時(shí),這些瞬態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致能量損失。這種損失在前面的文章“CMOS反相器的功耗”中有解釋

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我們已經(jīng)研究了CMOS反相器中開關(guān)電流的原理圖設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果。在這個(gè)由三部分組成的系列的最后一期中,我們將檢查短路電流。為此,我們將使用LTspice的能力來直接測量瞬時(shí)功率。




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