数字电路的重要概念——静态功耗和动态功耗

静态功耗和动态功耗:

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

1:静态功耗:

我们从一个简单的反相器角度来理解和说明静态功耗的概念,众所周知,反相器是由PMOS和NMOS互补组成的,PMOS是起上拉作用,NMOS起下拉作用,静态下总有一个是截至的,而且截至内阻极高,流过的电流极小,因此静态功耗极小。

首先我们来回顾一下反相器的结构和NMOS 管和PMOS管的特性:

 这是一个反相器,上面是PMOS管,下面是NMOS管;

【注:原理图上箭头的方向为电子的流动方向】

再来回顾一下PMOS管和NMOS管的特性:

        NMOS管:栅极接正(高)电压【与源极形成电势差】,mos管导通(正极会吸引P中的电子向氧化物附近聚集形成N沟道)从而使得源极和漏极之间导通。【N高通】

        PMOS管:栅极接负(低)电压【与源极形成电势差】,mos管导通(负极会排斥N中的电子向外移动,吸引空穴向氧化物附近聚集形成P沟道)从而使得源极和漏极之间导通。在电子的方向像放P一样被放出去了,所以箭头指向外面的就是P沟道。【P低通

看到这里就得出来了我们最初的结论,静态下总有一个MOS管是截止状态;

假设:栅极此时电压为低,那么此时反相器下面的NMOS截至,流过mos管的电流极小,电流通过漏极流出,造成漏极功耗产生:P leak = V dd * I leak

2: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C eff 是器件空载时等效的功耗电容,由期间制造商给出,短路功耗与期间空载等效电容,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。

参考文章:数电重要概念-静态功耗和动态功耗_Lucasic知识分享的博客-CSDN博客

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