原创 逻辑门的高速特性_2

2.功耗

高速逻辑电路4种类型的功耗：（1）输入功耗（2）内部功耗（3）驱动电路功耗（4）输出功率。每一种可细分为静态功耗和动态功耗。内部功耗是内部电源用于逻辑器件内部节点的偏置和转换产生的功耗。

2.1静态功耗：指一个电路维持在一个或另一个逻辑状态时的所需的功率。

CMOS反相器的静态功耗解释。

从图中可以看出，稳态工作情况下，电源和地之间不存在直接的通路，因此，CMOS电路的静态功耗很低（只有很少的漏电流）[10]。

尽管在电源和地之间没有直接的通路，因为理想情况下PMOS和NMOS不会同时导通，但是，总会有一些泄漏电流流过晶体管源和衬底之间的反相偏置的二极管。这个电流非常小，一般可以忽略。

2.2动态功耗：逻辑电路每完成一次跳变都需要消耗正常静态功耗以外的额外的功耗。最常见的起因是驱动容性负载和叠加的偏置电流。

（1）驱动容性负载

在t1时刻，switchA闭合，电容充电；t2时刻，switchB闭合，电容放电；充电和放电过程中，都会有电流流过电阻，电阻消耗了能量。电容器本身没有消耗任何功率。

（2）叠加偏置电流

图中TTL电路在动态转换的过程中，会发生Q1，Q2同时导通的情况；这时，会有较大的电流流向地。[1]中有关于TTL反相器动态特性的描述。这样重叠的导通产生了对地的电流，功率以热量的形式消耗在Q1和Q2上。正如前面CMOS反相器的介绍，CMOS也存在这样的问题。[1]给出了详细的描述。关于CMOS电路的功耗的更多介绍，可以参考文献[3]

2.3热阻的概念

半导体的结间温度（junction temperature）是对一个器件功耗的最大限制 T_jmax。

显然，热阻（Q_jA）就是每消耗1W的功率，结间温度上升的值。CMOS器件的功耗可以用下图来简要说明原理[3]。门电路不断的对负载充放电，电流流过PMOS或NMOS的电阻，功率就消耗在电阻上。

很明显，这个模型和前面提到的驱动容性负载产生动态功耗的原理是一样的。Cpd是等效功耗电容，表示器件的内部功耗。CL是负载电容。每个驱动器转换到关闭（OFF）状态时，仍然存在负载电容，大概5-10pF。