CMOS电路

CMOS电路是目前应用最广泛的数字电路，具有面积小、功耗低且易于集成等特点，其基本原理同样适用于其他形式的数字电路。CMOS电路在理想状态下两管不同时导通，具有良好的功耗特性。CMOS集成电路功耗主要分为两个部分：静态功耗和动态功耗。

  • 静态功耗
    栅极氧化层的隧穿电流
    反偏二极管的漏电流
    电路竞争电流
    MOS晶体管的亚阈导通电流等
  • 动态功耗
    负载电容充放电引起的开关功耗
    PMOS与NMOS同时导通时产生的短路电流功耗

动态功耗占据电路总功耗的主要部分，动态功耗主要由电路中的信号翻转引起，静态功耗主要是漏电流功耗，与信号跳变频率无关。随着集成电路规模和集成度的增加，器件尺寸减小，栅极氧化层厚度减小，器件总漏电流增大，静态功耗增加。

动态功耗

动态功耗是电路运行过程中信号翻转所引起的能量消耗，主要是指电容充放电引起的功耗，即开关功耗。同时，动态功耗还包括PMOS和NMOS网络同时导通时引起的短路功耗及由于延迟引起的竞争冒险功耗等。
1.开关功耗
开关功耗约占CMOS电路总功耗的70%~90%，是CMOS电路低功耗设计的关键。计算公式如下：
开关功耗

  • CL
    CL包含：
    自载电容（包括源漏结电容、栅极覆盖电容）
    栅电容和布线之间的逻辑门扇出电容
    互容产生的寄生电容
    下一级电路的输入门电容
    互连电容
    反相器源漏区的电容
  • VDD
    供电电压
  • f
    时钟频率
  • α
    电路活动因子。
    实际情况下，CMOS电路翻转的频率不会与时钟频率一致，即不是时钟信号每次翻转都伴随输出的翻转，α是平均时间内单个节点在单位时钟周期之内翻转的概率。

由上面的式子可以知道，开关功耗与负载电容、电源电压、工作频率及电路活动因子共同决定，减小负载电容、供电电压、工作频率和电路活动因子都可以减小动态功耗。

2.短路功耗
短路功耗约占CMOS电路总功耗的10%~30%。
对于理想的CMOS电路来说，晶体管工作状态瞬间翻转，没有延时，不存在从电源到地之间的电流通路。现实中的CMOS电路输入信号的上升/下降时间大于0，上拉网络和下拉网络在很短的时间内同时导通，存在从电源到地之间的短路电流脉冲，产生短路功耗。短路电流与CMOS管的尺寸有关。
当VDD低于PMOS和NMOS晶体管的开启电压之和时，PMOS和NMOS不满足同时导通条件，不可能同时导通，没有短路电流，但与此同时，电路的处理速率降低。

静态功耗

静态功耗主要是MOS管中的漏电流引起的功耗，占总功耗的比列不足1%。
漏电流主要与器件的工艺有关，一般由以下几个方面组成：

  • 亚阈值漏电流（subthreshold leakage）
  • PN结反偏电流
  • 栅电流
  • 栅极感应漏电流
  • 沟道隧穿电流

在CMOS电路中，阈值电压非常重要。阈值电压即为形成沟道（增强型）时所对应的VGS。
电路延时与阈值电压的大小成正比，降低阈值电压可以减小电路延时。但若减小阈值电压，亚阈值电流会增大，引起漏电流功耗增加。因此在低功耗CMOS电路设计时应充分考虑阈值电压的影响，合理选择工作电压和阈值电压。漏电流功耗在总的动态功耗中所占比重较小，若选择工艺阈值电压高、栅极氧化层厚度大的晶体管，则静态功耗可以有效降低。

目前，功耗的优化方法越来越多，也越来越具有针对性，但其思想都是通过降低工作电压、工作频率、减少计算量等方法实现集成电路的功耗优化。

CMOS电路低功耗

使用CMOS电路应注意的几点：

1.CMOS电路的逻辑电平。
CMOS电路的逻辑电平与TTL电平有所区别，CMOS电路的驱动电压范围较宽，而TTL电路的驱动电压范围较窄。通常情况下，CMOS电路之间可以互相驱动，CMOS可以驱动TTL电路，而TTL并不能驱动所有的CMOS电路。

2.未用引脚的处理。
a.未用引脚不能悬空。由于CMOS电路是电压控制器件，其输入阻抗很高，如果输入引脚悬空，会带来以下问题：

  • 在输入引脚上很容易积累电荷，产生较大的感应电动势。
  • 输入端电平不稳定，电路来回翻转而增大系统功耗。
  • 虽然CMOS器件有保护电路，不至于损坏器件，但未用引脚悬空会使输入引脚电位位于过渡区，使电路中的P沟道和N沟道都处于导通状态，致使功耗增大。

b.输出为高原则。为降低功耗，多余的门电路引脚应遵循使输出为高电平的使用原则。

3.CMOS器件的带负载能力。
CMOS电路因输入阻抗高，所以输入漏电流很小，基本可以不考虑总线带负载的能力，接口芯片可以直接挂在总线上；而TTL器件的漏电流较大，需要考虑芯片的扇出数。

4.尽量选择高速低频工作方式。
虽然CMOS器件的静态功耗几乎为零，但在逻辑电平翻转时会有电流流过，器件的动态功耗和逻辑电平翻转频率成正比。需要注意的是，选用高速低频器件会带来电磁兼容性方面的问题，因为高速器件会产生大量的谐波，产生电磁辐射。