CMOS逆变器短路功耗的仿真

在逻辑电平转换期间，电流短暂地流过两个晶体管。本文探讨了由此产生的功耗，并为测量电流和功率提供了一些有用的LTspice技巧。

在本系列的第一篇文章中，我们研究了CMOS反相器的动态和静态功耗。在随后的文章中，我们使用LTspice模拟来进一步了解电容充电和放电引起的功耗。作为讨论的一部分，我们创建了如图1所示的LTspice反相器电路。

增加了负载电阻和电容的CMOS反相器的LTspice示意图。

图1。具有负载电阻和电容的CMOS反相器的LTspice示意图。

我们将在本文中继续使用上述原理图，研究“短路”或“击穿”电流。这两个术语指的是在输出过渡期内流经图1中NMOS和PMOS晶体管的电流。

短路电流是可能的，因为随着输入电压——控制两个晶体管的栅极电压——的变化，反相器通过一个电区域，在该电区域中NMOS沟道和PMOS沟道都是导电的。

测量短路电流

我们只想测量由于击穿而从VDD流到地的电流。这意味着我们必须排除在转换期间对负载电容器C1充电和放电的电流。

上升输出转换期间的短路电流

在图2中，我们放大了逆变器电路的中心部分。低至高输出转变的探针位置由NMOS晶体管（M1）的漏极处的绿点示出。

绿点表示当输出从逻辑低变为逻辑高时，我们测量击穿电流的位置。

图2:绿点表示当输出从逻辑低变为逻辑高时，我们测量击穿电流的位置。

在从低输出到高输出的转换过程中，充电电流流动：

来自VDD。

通过PMOS晶体管（M2）。

至负载电容器（C1）。

同时，短路电流流动：

来自VDD。

通过PMOS晶体管。

通过NMOS晶体管。

接地。

通过探测图2中绿点标记的线段，我们测量了充电电流转向电容器后流过两个晶体管的电流。仿真结果如图3所示。

在上升输出转换期间，逆变器击穿电流。

图3。在上升输出转换期间，逆变器击穿电流。

当输入为0.9 V时，测量的电流达到峰值。在该电压下，NMOS和PMOS晶体管都处于弱导通状态。这允许电流直接从VDD流到地。

输出下降过渡期间的短路电流

对于高输出到低输出的转换，情况发生了逆转。放电电流：

来自负载电容器。

通过NMOS晶体管（M1）

接地。

然而，短路电流的路径保持不变。它在到达地面的途中仍然经过M2和M1。因此，我们在放电电流从电容器到达的节点之前探测PMOS晶体管的漏极处的电流。探头位置如图4所示。

绿点表示当输出从逻辑高变为逻辑低时，我们测量击穿电流的位置。

图4。绿点表示当输出从逻辑高变为逻辑低时，我们测量击穿电流的位置。

图5显示了下降输出转换的LTspice模拟结果。

逆变器在下降输出转换期间通过电流。

图5。逆变器在下降输出转换期间通过电流。

同样，当输入电压接近其中点0.9V时，电流达到峰值。该短路电流在流过NMOS和PMOS电阻时引起功率耗散。

测量瞬时功耗

有两件事使我们无法轻松地将晶体管电流测量值转换为功耗的数字估计值：

电流不是通过固定电阻流动的，所以我们不能直接应用P=I2R。

晶体管的漏极到源极电压不是恒定的，所以我们不能直接应用P=IV。

然而，LTspice并不反对执行必要的计算。如果您在单击组件时按下Alt键（Mac电脑上的Cmd），LTspice将绘制该组件的瞬时功耗。让我们试试这个。

不断上升的产出转变

图6中的红色轨迹绘制了NMOS在从低到高输出转换期间消耗的功率。因为在上升过渡期间没有充电或放电电流流过NMOS，所以这种功率耗散主要由短路电流引起。

在低到高输出转换期间的瞬时NMOS功率耗散。

图6。在低到高输出转换期间的瞬时NMOS功率耗散。

相比之下，图7显示了PMOS在相同转变过程中的瞬时功耗。因为充电电流确实流过这个晶体管，所以它的功耗明显更高。

在低到高输出转换期间的瞬时PMOS功率耗散。

图7。在低到高输出转换期间的瞬时PMOS功率耗散。

下降的过渡

对于从高到低的输出转变，电容电流流过NMOS而不是PMOS。NMOS（图8）的功耗现在大于PMOS（图9）的功耗。

NMOS在高到低输出转变期间的瞬时功耗。

图8。NMOS在高到低输出转变期间的瞬时功耗。

PMOS在高到低输出转换期间的瞬时功耗。

图9。PMOS在高到低输出转换期间的瞬时功耗。

对于下降过渡，PMOS是我们想要检查的组件，以找到逆变器的短路功耗。

LTspice是如何获得这些结果的？

LTspice不仅计算功率，它还通过跟踪标签让我们知道它是如何执行计算的。例如，我们可以看到NMOS（M1）在上升转变期间的功耗等于：

其中Id是晶体管的漏极电流（短路电流），Ig是栅极电流。

PMOS（M2）在相同转变期间的功耗为：

其中V+是指电源电压（在我们的原始示意图中为VDD）。

在这种特殊情况下，功率耗散几乎完全是由于漏极电流。然而，两个方程中Ig的存在应该提醒我们，栅极电流也会对总功耗产生影响。

能量损失和平均功耗

最终，本文系列中的概念和仿真旨在为分析CMOS逆变器中的动态功耗提供一个工具包。本着这种精神，在我们结束之前，我想再介绍一个LTspice功能。虽然它不会帮助我们找到任何关于短路功率的其他信息，但它与更广泛的动态功耗主题完全相关。

如果我们按住Ctrl键并单击其中一个瞬时功率波形的跟踪标签，LTspice将打开一个光标框。此框中标记为“积分”的底部字段报告模拟过渡过程中的能量损失量。例如，图10显示了NMOS在从低到高输出转换期间的总能量损失。

在一个上升转变过程中通过NMOS晶体管损失的能量。

图10。在一个上升转变过程中通过NMOS晶体管损失的能量。

图11显示了下降跃迁的NMOS总能量损失。

一次下降跃迁通过NMOS损失的能量。

图11。在一次下降过渡期间通过NMOS损失的能量。

一旦我们找到了PMOS的总能量损失（图12和13），我们就可以估计逆变器的平均动态功耗。

在一次上升过渡期间，通过PMOS损失的能量。

图12。在一次上升过渡期间，通过PMOS损失的能量。

在一次下降过渡期间通过PMOS损失的能量。

图13。在一次下降过渡期间通过PMOS损失的能量。

为了便于参考，在表1中再现了能量损失值。请注意右边的“总计”列--我们稍后将使用这些数字。

表1。在一个上升和一个下降转变期间晶体管的总能量损失。

NMOS PMOS总计（NMOS+PMOS）

我们现在可以如下估计逆变器的平均动态功耗：

其中f是每秒的循环次数。

对于该模拟，我们的PRising=16.2pJ，PFalling=17.4pJ。假设逆变器的开关频率为500赫兹。回想一下，1瓦等于1焦耳每秒（1 W=1 J/s），这给了我们一个估计的功耗：

有了这些，您就可以在CMOS反相器中试验减少动态电流和功耗的技术了。这就结束了我关于CMOS反相器功耗的系列，尽管我们将来可能会回到这些模拟中。与此同时，我希望你发现我们的讨论对你有所帮助。