CMOS电路功耗是由静态功耗和动态功耗组成的,动态功耗远大于静态功耗。
静态功耗是指漏电流功耗,是电路状态稳定时的功耗,其数量级很小。静态功耗又叫泄漏功耗,它是指电路处于等待或不激活状态时泄漏电流所产生的功耗。
泄漏电流主要有4种:
①反偏二极管泄漏电流;
②门栅感应漏极泄漏电流;
③亚阈值泄漏电流;
④门栅泄漏电流。
动态功耗主要由动态开关电流引起的动态开关功耗PSW(也称为跳变功耗)以及短路电流产生的功耗PSC两部分组成。
动态功耗来源于:
(1)当门翻转时,负载电容充电和放电,称为翻转功耗 ;
(2)pmos和nmos管的串并联结构都导通时的有短路电流,称为短路功耗。
静态功耗和动态功耗计算公式
静态功耗:
反相器是由PMOS和NMOS互补组成的,PMOS是起上拉作用的,NMOS起下拉作用,静态下总有一个是截止的,而且截止内阻极高,流过电流极小,因此静态功耗极小。
CMOS的保护电路中的反向二极管的leakage current比流过CMOS的电流大,反而是静态功耗主要的贡献者。
栅极泄漏功耗:在栅极上加信号后(即栅压),从栅到衬底之间存在电容,因此在栅衬之间就会存在有电流,由此就会存在功耗。
亚阈值电流:使栅极电压低于导通阈值,仍会产生从FET漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈值泄漏电流。要降低亚阈值电流,可以使用高阈值的器件,还可以通过衬底偏置进行增加阈值电压。
静态功耗计算公式:
动态功耗:
动态功耗分为开关功耗PC和短路功耗PT,开关功耗是对负载电容充、放电所消耗的功率,短路功耗是由于两个MOS管在开关瞬间同时导通所消耗的瞬时导通功耗。
开关功耗PC计算公式:
公式说明,对负载电容充、放电所产生的功耗与负载电容的电容量、时钟频率以及电源电压的平方成正比。
短路功耗PT计算公式:
这里的Ceff是器件空载时等效的功耗电容,由器件制造商给出。短路功耗与器件空载等效电容、时钟频率和电源电压的平方成正比。
总的动态功耗是由两个部分相加。
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