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IC设计基础系列之CDC篇7:从CMOS到触发器(三)

IC设计基础系列之CDC篇7:从CMOS到触发器(三)

3、CMOS门电路
  ①CMOS非门:上面的一个CMOS单元的功能就是非门的功能了,因此CMOS非门也就是这个CMOS的单元,也称为反相器。其电路结构就是反相器的电路结构。
  ②(二输入)CMOS与非门(NAND):
直接上图吧,CMOS与非门的电路符号结构如下所示:



                 


    (PMOS的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈,表示低电平有效的)
③(二输入)CMOS或非门(NOR)的电路符号和工作原理如下所示:
                 
      (PMOS的电路符号栅极处本来应该有个小圈圈,表示低电平有效的)


  数字逻辑电路都可以由上面的三种电路化简构成,也就是说一个电路可以由NAND或者NOR电路构成,我们来看看他们的特点来推导数字CMOS电路的特点。
容易知道(反正我们就当做结论好了):
  反相逻辑门的通用结构如下所示:
                  
    此外我们也注意到,使用到功能的时候,NMOS网络是联的;使用功能时,NMOS网络是并联的。因此可以这么记忆:要NOMS都一起,才能一起(与),只要NMOS其中一个就可以(或),与还是或,可以根据NMOS的串并结构判断。
  然后设计多少个输入的NXXX门,就把多少个NMOS/并联起来,然后PMOS就是并/串就可以了。


4CMOS的功耗表示
  功耗是单位时间内消耗的能量,在数字系统中的功耗主要包括静态功耗和动态功耗,我们将从CMOS电路角度聊聊静态功耗和动态功耗。
  CMOS的静态功耗:当CMOS不翻转/不工作时的功耗。在CMOS都不工作时,也就是晶体管都处于截止状态的时候,从VDDGND并不是完全没有电流流过的,还是有些微电流从电源流到地,这个静态电流Idd称为电源和地之间的漏电流,跟器件有关(至于漏电流是怎么引起的,这里就不再阐述了)。初中的时候,我们就学过P=UI,因此静态功耗就可以这样表示 :
                  Ps = Idd*Vdd.
  CMOS的动态功耗是信号在01变化之间,电容充放电所消耗的功耗。我们知道,不仅仅CMOS器件有寄生电容,导线间也有电容。将电容C充电到电压Vdd所需要的能量CVdd^2。如果电容每秒变换f次(也就是电容的切换频率为f,在一秒内,电容充电f/2次,放电f/2次),由于放电不需要从电源那里获取功耗,因此动态功耗就可以这样表示:
        Pd = 1/2* C*Vdd^2*f  即:



PS:上面主要是列举了一些主要的功耗,比如动态功耗中除了翻转时电容消耗功耗外,还有在栅极信号翻转的时候PMOSNMOS同时导通引起的短路功耗。
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