当前课程知识点：数字电子技术基础 > 第三周 > 3.3-5 CMOS反相器的总功耗 > Video
我们看一下CMOS反相器的总功耗
CMOS反相器的总功耗
分为两大部分
一部分是动态的
一部分是静态的
那我们先来看它的静态功耗
CMOS反相器的静态功耗
我们在前边讲低压传输特性曲线的时候
已经涉及到
我们发现如果CMOS反相器
它的输入静止在0电平
或者1电平
它的输出也会相应的静止在
1电平和0电平的时候
这个时候它是有电压信号
但是没电流
为什么呢
因为它输入本来就不取电流
那这样一来
有电压没电流
这个信号还能稳定的存在
那这时候是不是静态功耗
就近似为0
那我们说这是近似
原因也很简单
我们把这个具体的CMOS反相器的
这个图拿出来
大家可以看到
因为除了我们主要分析的
这些两个管子之外
这个管子其实在它的衬底
和阱之间
都是有寄生二极管的
而我们把这个寄生二极管
从电源到地连起来的话
你会发现会存在一些通路
虽然这些通路存在
但是由于二极管的单向导电性
所以电流很小
因此静态功耗极小
与动态功耗相比
几乎是可以不考虑的
下边我们来看一下动态功耗
动态功耗的第一步
就是我们在讲这个
电压传输特性曲线的时候
提到过的一点
我们发现电压传输特性曲线
当它从0到1
或者从1到0的时候
对应的中间非0非1的那个部分
也就是两个管子同时导通的部分
它会在VDD和0之间
有一个尖峰电流
这个电流只要你的输入信号
出现转换
这个电流就会存在
那么我们看这就是导通功耗
导通功耗指的是输入信号
当从0到1
和从1到0的时候
T1 T2管 两管切换导通状态
会出现同时导通
而形成的尖峰电流
那么这个功耗
其实如果要具体去算的话
你可以知道它就是
这个尖峰的这个面积
那我们没有办法算它
那我们所有的器件
查器件手册
会给出大家这样的一个公式
来描述你的导通功耗
那这个公式是这样说的
PT等于CPD* f*( VDD的平方)
那么CPD是功耗电容
这个功耗电容是一个工艺参数
当一个器件生产出来之后
这个参数就固定了
那么f是它的工作频率
其实也就是说我工作频率越高
就是像我们前面讲过的
我出现尖峰的这个次数就越多
那出现尖峰的次数越多
就意味着我的功耗就会越大
除此之外它还跟
我的电源电压相关
所以PT等于CPD* f*(VDD的平方)
除了这个之后
还有一个功耗是负载功耗
这个负载功耗其实在前面
我们刚才在分析传输
延迟时间的时候
已经提到过
我们发现这个信号要在
CMOS反相器
或者CMOS门电路当中
一级级传递的时候
前级的导通电阻
需要对后级的等效的负载电容
进行充放电
才能把信号传过去
而这个等效的充放电
流过的电流这带来的
就是负载功耗
我们举例来看一下
如果说现在输入信号
是从低电平到高电平
那么如果输入信号刚才是低电平
也就意味着我负载电容上面
刚才是高电平
输入是低电平
输出是高电平
那就稳态的时候
这个负载电容上是有电压的
那我输入从低电平变高电平
从低电平到高电平
是不是就意味着刚才
是T1管导通的
现在要截止
而T2管要导通了
输入高电平T2管导通T1管截止
按说我应该马上输出一个低电平
但是由于我有负载电容
所以我们知道电容两边的压降
不能突变
而刚才T1管
已经充满了的这个电荷的
这个电容上边的电荷
要通过T2管先放掉
才能把低电平表达出来
那这个时候怎么办
这个电荷怎么办
电荷就通过T2管放掉
那通过T2管放掉这个过程
从电流的曲线上
你能够得到这么一个曲线
说我从高电平要变低电平
我要把它放掉
有这么一个尖峰电流
这个电流会形成在T2管上
会流过N沟道
那同理 如果你现在输出
已经是低电平
已经到稳态
那就是这个管子导通
已经在稳态了
那我现在输入
如果从高电平换成低电平呢
如果输入从高电平换成低电平
那这个时候我们看到
输入如果从高电平换低电平
本身来讲T2管截止
T1管会导通
T2管截止T1管要是导通的话
那应该输出
马上给出高电平
因为上拉管通了
但是由于刚才电容上边没有电荷
那这个时候它会使得这点的电压
会从零然后慢慢冲上去之后
才会变成高电平
那怎么办
通过VDD经过T1
由IP对CL进行充电
那么经过一段时间之后
充电达到输出是高电平
输出高电平
那么从0到高电平
这个变化过程当中
在T1管流经的电流就是IP
那这就是负载功耗
因为这些功耗这样的电流尖峰
也会是出现在
你输入只要发生变化
我就会出现
所以对这样的功耗
也是不可避免的
那如果我们要
对它进行一下计算的话
你可以这样来算
负载电容充放电功耗PC
可以分别是输入电平
从高电平变低电平
或者是从低电平变高电平的时候
CL的充放电的过程
我们对这个充放电的电流
可以得到这样的表达式
比方说IP
IP等于CL
然后是对输出电压的一个微分
以此类推
你也能得到IN
那么在一个周期当中
它们会出现
每半个周期出现一个尖峰
我们把它合起来
进行一下运算和整理
就能得到PC
也就是负载电容的
充放电功耗PC
等于CL*f*( VDD的平方)
那么总的功耗我们回来
总的动态功耗
就应该是刚才导通的
这个尖峰功耗
加上负载形成的尖峰电流功耗
那我们就可以看到说
如果再把前面加上那个
微不足道的静态功耗放在一起
整个来讲
数字电路会随着你
工作频率f的提高
电源电压的提高
总功耗会呈现上升趋势
所以这也是为什么大家会注意到
我们现在数字电路的
这个工作电压是越来越低的趋势
还有一个CPD和CL
这是一个工艺尺寸
随着工艺尺寸的减小
集成度的提高
也是一个下降的趋势
那么这也是为什么我们会发现
我们现在消费类的电子
我们可以让它续航的时间
越来越长
但是你会发现它有可能不经用
原因是什么呢
当你的工作频率起来了
我们希望它处理信息的能力快
处理的信息能力强
那么你的工作频率就会提高
就会带来大功耗
那我们关于数字电路的功耗
最常见的
大家经常能见到的一个形式
你比如说你拆计算机
你会发现CPU芯片上边
在芯片的上面
都会有这样的散热片
如果你拆你的平板
你拆你的笔记本电脑
你会发现拆开之后
上面都带着小风扇
这都是因为功耗的问题解决
内部不能降的时候
那外部要降温
这是关于它的动态特性
-0.1 数字量和模拟量
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-0.2 电子技术的发展历程
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-0.3 课程的基本任务
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-1.1 信息与编码
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-1.2 二进制的补码
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-1.3 二进制补码运算的符号位
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-1.4 二进制的编码
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-1.5 用电压来表达信息
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-1.6 电压信号的离散化
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-2.1 逻辑代数概述
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-2.2 逻辑代数的三种基本运算
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-第一周--第一周作业
-2.3 几种常用的复合逻辑运算
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-2.4 逻辑代数的基本公式和常用公式
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-2.5 逻辑代数的基本定理
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-2.6 逻辑函数及其表示方法
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-2.7 逻辑函数形式的变换
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-2.8 逻辑函数的化简
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-2.9 逻辑函数的最小项之和
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-2.10 逻辑函数的最大项之积
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-2.11 最小项和最大项的关系
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-2.12 逻辑函数的卡诺图
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-2.13 卡诺图化简法
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-2.14 具有无关项的逻辑函数及其化简
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-2.15 逻辑函数的机器化化简法
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-第二周--第二周作业
-3.0 门电路概述
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-3.1-1 半导体二极管的开关特性
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-3.1-2 二极管与门
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-3.1-3 二极管或门
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-3.1-4 二极管门电路的缺点
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-3.2-1 MOS管的基本构造和工作原理
--Video
-3.2-2 MOS管的开关特性
--Video
-3.2-3 MOS管的工作特性曲线
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-3.3-1 CMOS反相器的电路结构和工作原理
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-3.3-2 CMOS反相器的电压电流传输特性
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-3.3-3 CMOS反相器的静态输入输出特性
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-3.3-4 CMOS反相器的动态特性
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-3.3-5 CMOS反相器的总功耗
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-第三周--第三周作业
-3.4-1 其他逻辑功能的CMOS门电路
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-3.4-2 带缓冲级的CMOS门电路
--Video
-3.4-3 漏极开路的门电路
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-3.4-4 CMOS传输门和三态门
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-3.5-1-1 双极型三极管的输入输出特性
--Video
-3.5-1-2 双极型三极管的基本开关电路
--Video
-3.5-1-3 双极型三极管的开关等效电路、三极管反相器
--Video
-第四周--第四周作业
-3.5-2-1 TTL反相器的电路结构
--Video
-3.5-2-2 TTL反相器的工作原理
--Video
-3.5-2-3 TTL反相器中的几个 问题和输入噪声容限
--Video
-3.5-3-1 TTL反相器的输入输出特性
--Video
-3.5-3-2 TTL反相器的输入端负载特性
--Video
-3.5-3-3 TTL反相器的扇出系数
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-3.5-4-1 TTL反相器的传输延迟时间
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-3.5-4-2 TTL反相器的交流噪声容限
--Video
-3.5-4-3 电源的动态尖峰电流
--Video
-3.5-5-1 其他逻辑功能的TTL门电路
--Video
-3.5-5-2 集电极开路输出的门电路
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-3.5-5-3 三态输出门
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-实验一：与非门电压传输特性曲线的观测
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-实验二：与非门传输延迟时间的测量
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-第五周--第五周作业
-4.1 组合逻辑电路的特点
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-4.2-1 组合逻辑电路的分析方法
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-4.2-2 组合逻辑电路的设计方法
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-4.3-1-1 若干常用组合逻辑电路：普通编码器
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-4.3-1-2-1 优先编码器
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-4.3-1-2-2 优先编码器的扩展
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-4.3-1-3 二-十进制优先编码器
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-4.3-2-1 译码器
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-4.3-2-2 二进制译码器的扩展
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-4.3-2-3-1 显示译码器
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-4.3-2-3-2 显示译码器附加控制端的作用
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-4.3-2-4 用译码器设计组合逻辑电路
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-4.3-3-1 数据选择器
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-4.3-3-2 用数据选择器设计组合电路
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-4.3-4-1 加法器
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-4.3-4-2 多位加法器
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-4.3-4-3 用加法器设计组合电路
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-4.3-5 数值比较器
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-4.4-1_4.4-2 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象
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-4.4-3 消除竞争-冒险现象的方法
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-第六周--第六周作业
-4.5 可编程器件及EDA1
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-5.0 触发器的由来
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-5.1 门电路与触发器的关系
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-5.2 基本RS锁存器
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-5.3-1 电平触发的SR触发器
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-5.3-2 电平触发的D触发器1
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-5.3-3 电平触发的D触发器2
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-5.4-1-1 脉冲触发的触发器--主从D触发器
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-5.4-1-2 脉冲触发的触发器--主从SR触发器
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-5.4-1-3 脉冲触发的触发器--主从JK触发器
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-5.4-2 脉冲触发方式的动作特点
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-5.5 边沿触发的触发器
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-5.6-1 触发器的逻辑功能及其描述方法--SR触发器
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-5.6-2触发器的逻辑功能及其描述方法--JK触发器、T触发器、D触发器
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-第七周--第七周作业
-5.7-1 触发器的动态特性1
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-5.7-2 触发器的动态特性2
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-5.7-3 触发器的动态特性3
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-6.1-1 时序逻辑电路概述
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-6.1-2 时序电路的一般结构形式与功能描述方法
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-6.1.3 时序电路的分类
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-6.2.1-1 同步时序电路的分析方法1
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-6.2.1-2 同步时序电路的分析方法2
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-6.2.3 异步时序电路的分析方法
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-6.3.1-1 寄存器
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-6.3.1-2 移位寄存器1
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-6.3.1-3 移位寄存器2
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-6.3.1-4 移位寄存器扩展应用
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-6.3.2-1-1-1 计数器概述、同步二进制加法计数器
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-6.3.2-1-1-2 同步二进制减法计数器
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-6.3.2-1-1-3 同步加减计数器
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-6.3.2-1-2-1 同步十进制加法计数器
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-6.3.2-1-2-2 同步十进制减法计数器、十进制可逆计数器
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-6.3.2-2 异步计数器
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-第八周--第八周作业
-6.3.2-3-1-1 任意进制计数器的构成方法
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-6.3.2-3-1-2 任意进制计数器的构成方法--举例(N>M)
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-6.3.2-3-1-3 任意进制计数器的构成方法--举例(N<M)
--Video
-6.3.2-4 计数器应用举例
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-6.4.1-1 时序逻辑电路的设计方法
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-6.4.1-2 时序逻辑电路的设计方法--举例
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-6.4.2 时序逻辑电路的动态特性分析
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-7.0 半导体存储器绪论
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-7.1 半导体存储器概述和分类
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-7.2-1 ROM的结构和工作原理
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-7.2-2 可编程ROM1
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-7.2-3 可编程ROM2
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-7.3 RAM的结构和工作原理
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-7.4-1 存储器容量的扩展-位扩展
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-7.4-2 存储器容量的扩展-字扩展
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-7.5 用存储器实现组合逻辑电路
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-第九周--第九周作业
-8.1 可编程逻辑器件概述
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-8.2-8.3-8.4 可编程逻辑器件-FPLA/PAL/GAL
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-8.5-8.6-8.7 可编程逻辑器件-EPLD/CPLD/FPGA
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-8.8-8.9 可编程逻辑器件-ISPGDS、PLD的使用
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-10.1-1 脉冲波形的产生和整形概述
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-10.1-2-10.2.1 门电路组成的施密特触发器
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-10.2.2 集成施密特触发器
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-10.2.3 施密特触发器的主要特点和应用
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-10.3.1-1-1 积分型单稳态触发器--结构和工作原理
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-10.3.1-1-2 积分型单稳态触发器--性能参数计算
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-10.3.1-2-1 微分型单稳态触发器--结构和工作原理
--Video
-10.3.1-2-2 微分型单稳态触发器--性能参数计算
--Video
-10.3.2 集成单稳态触发器
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-10.4.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器
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-10.4.2 对称式多谐振荡器
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-10.4.3 非对称式多谐振荡器
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-第十周--第十周作业
-10.4.4 环形振荡器
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-10.4.5 石英晶体多谐振荡器
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-10.5 脉冲电路的分析方法
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-10.6.1 555定时器电路的结构与功能
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-10.6.2 用555定时器接成施密特触发器
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-10.6.3 用556定时器接成单稳态触发器
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-10.6.4 用557定时器接成多谐振荡器
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-11.1 数模和模数转换概述
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-11.2.1 权电阻网络D/A转换器
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-11.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
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-11.2.3 具有双极性输出的电阻网络D/A转换器
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-11.2.4 D/A转换器的转换精度和速度
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-11.3.1 A/D转换的基本原理
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-11.3.2 采样保持电路
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-11.3.3 并联比较型A/D转换器
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-11.3.4-1 反馈比较型A/D转换器--计数型
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-11.3.4-2 反馈比较型A/D转换器--逐次渐进型
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-11.3.5 双积分型和V-F型A/D转换器
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-第十一周--第十一周作业
-I-概述、电路设计及功能仿真
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-II-指定芯片及时序仿真
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-III-选外设（自动化）、锁定引脚并生成下载文件
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-IV-电路扩展设计
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-V-用Verilog描述状态机电路
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