LTspice 反相器電路。　　添加了負(fù)載電阻和電容的 CMOS 反相器的 LTspice 示意圖。

　　圖 1.帶負(fù)載電阻和電容的 CMOS 反相器的 LTspice 原理圖。
　　在本文中，我們將繼續(xù)使用上述示意圖，研究“短路”或“擊穿”電流。這兩個術(shù)語指的是輸出轉(zhuǎn)換期間流過圖 1 中 NMOS 和 PMOS 晶體管的電流。
　　短路電流流動是可能的，因?yàn)殡S著輸入電壓（控制兩個晶體管的柵極電壓）的變化，逆變器會經(jīng)過 NMOS 通道和 PMOS 通道均導(dǎo)電的電氣區(qū)域。
　　測量短路電流
　　我們只想測量由于擊穿而從V DD流到地的電流。這意味著我們必須排除轉(zhuǎn)換期間對負(fù)載電容器 C1 進(jìn)行充電和放電的電流。
　　輸出上升沿轉(zhuǎn)換期間的短路電流
　　在圖 2 中，我們放大了反相電路的中心部分。低到高輸出轉(zhuǎn)換的探針位置由 NMOS 晶體管 (M1) 漏極處的綠點(diǎn)表示?！　【G點(diǎn)表示當(dāng)輸出從邏輯低變?yōu)檫壿嫺邥r我們測量擊穿電流的位置。

　　圖 2.綠點(diǎn)表示當(dāng)輸出從邏輯低變?yōu)檫壿嫺邥r我們測量擊穿電流的位置。
　　在低至高輸出轉(zhuǎn)換期間，充電電流流向：
　　來自V DD。
　　通過PMOS晶體管（M2）。
　　到負(fù)載電容器（C1）。
　　同時，短路電流流過：
　　來自V DD。
　　通過PMOS晶體管。
　　通過NMOS晶體管。
　　接地。
　　通過探測圖 2 中綠點(diǎn)標(biāo)記的導(dǎo)線段，我們測量了充電電流轉(zhuǎn)向電容器后流過兩個晶體管的電流。模擬結(jié)果如圖 3 所示。　　輸出上升轉(zhuǎn)換期間的逆變器直通電流。

　　圖3.輸出上升轉(zhuǎn)換期間的逆變器直通電流。
　　當(dāng)輸入為 0.9 V 時，測量電流達(dá)到峰值。在此電壓下，NMOS 和 PMOS 晶體管均處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。這允許電流直接從V DD流到地。
　　輸出下降沿轉(zhuǎn)換期間的短路電流
　　對于高到低的輸出轉(zhuǎn)換，情況正好相反。放電電流流向：
　　來自負(fù)載電容器。
　　通過NMOS晶體管（M1）
　　接地。
　　然而，短路電流的路徑保持不變。它仍然通過 M2，然后通過 M1 到達(dá)地。因此，我們在 PMOS 晶體管漏極處探測電流，該處位于放電電流從電容器到達(dá)的節(jié)點(diǎn)之前。探測位置在圖 4 中標(biāo)記?！　【G點(diǎn)表示當(dāng)輸出從邏輯高變?yōu)檫壿嫷蜁r我們測量擊穿電流的位置。

　　圖 4.綠點(diǎn)表示當(dāng)輸出從邏輯高變?yōu)檫壿嫷蜁r我們測量擊穿電流的位置。

　　圖 5 顯示了下降輸出轉(zhuǎn)換的 LTspice 模擬結(jié)果。
　　輸出下降轉(zhuǎn)換期間的逆變器直通電流。
　　圖5.輸出下降沿期間的逆變器直通電流。
　　同樣，當(dāng)輸入電壓接近其中點(diǎn) 0.9 V 時，電流達(dá)到峰值。該短路電流在流過 NMOS 和 PMOS 電阻時會導(dǎo)致功率耗散。
　　測量瞬時功率耗散
　　有兩個因素阻礙我們輕松地將晶體管電流測量值轉(zhuǎn)換為功率耗散的數(shù)值估計(jì)值：
　　電流沒有流過固定電阻，因此我們不能直接應(yīng)用P = I 2 R。
　　晶體管的漏極 - 源極電壓不是恒定的，所以我們不能直接應(yīng)用P = IV。
　　然而，LTspice 并不反對執(zhí)行必要的計(jì)算。如果您在單擊組件時按下 Alt 鍵（在 Mac 上為 Cmd），LTspice 將繪制該組件的瞬時功率耗散。讓我們嘗試一下?！　‘a(chǎn)出上升轉(zhuǎn)型

　　圖 6 中的紅色曲線描繪了 NMOS 在低至高輸出轉(zhuǎn)換期間消耗的功率。由于在上升轉(zhuǎn)換期間沒有充電或放電電流流過 NMOS，因此該功率耗散主要來自短路電流。
　　低至高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬時 NMOS 功率耗散。
　　圖 6.低至高輸出轉(zhuǎn)換期間瞬時 NMOS 功率耗散。
　　相比之下，圖 7 顯示了 PMOS 在相同轉(zhuǎn)換期間的瞬時功耗。由于充電電流確實(shí)流過該晶體管，因此其功耗明顯較高?！　〉椭粮咻敵鲛D(zhuǎn)換期間的瞬時 PMOS 功率耗散。

　　圖 7.低至高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬時 PMOS 功率耗散。
　　衰落的轉(zhuǎn)變
　　對于高至低輸出轉(zhuǎn)換，電容電流流過 NMOS 而不是 PMOS。NMOS 的功耗（圖 8）現(xiàn)在大于 PMOS 的功耗（圖 9）。　　高至低輸出轉(zhuǎn)換期間 NMOS 的瞬時功率耗散。

　　圖 8.高至低輸出轉(zhuǎn)換期間 NMOS 的瞬時功率耗散?！　「咧恋洼敵鲛D(zhuǎn)換期間 PMOS 的瞬時功率耗散。

　　圖 9.高至低輸出轉(zhuǎn)換期間 PMOS 的瞬時功率耗散。
　　對于下降沿轉(zhuǎn)換，PMOS 是我們要檢查的組件，以找到逆變器的短路功率耗散。
　　LTspice 如何獲得這些結(jié)果？　　LTspice 不僅能計(jì)算功率，還能通過跡線標(biāo)簽讓我們知道它是如何執(zhí)行計(jì)算的。例如，我們可以看到，在上升沿期間，NMOS（M1）的功率耗散等于：

    PM 1 =（ V O U T × I d （M 1 ））+（ V I N × I g （M 1 ））    

　　
　　其中I d是晶體管的漏極電流（短路電流），I g是柵極電流。
　　同一轉(zhuǎn)換期間 PMOS（M2）的功率耗散為：
　PM 2 =（ V （V O U T ，V +） × I d （M 2 ））+（ V （V I N，V +） × I g （M 2 ））

　　其中V +指的是電源電壓（我們原始原理圖中的V DD ）。
　　在這個特定案例中，功耗幾乎完全歸因于漏極電流。然而，兩個方程中都有I g，這提醒我們，柵極電流也會影響總功耗。
　　能量損失和平均功率耗散
　　最終，本系列文章中的概念和模擬旨在提供用于分析 CMOS 反相器動態(tài)功耗的工具包。本著這種精神，我想在結(jié)束之前再介紹一下 LTspice 的功能。雖然它不會幫助我們了解有關(guān)短路功率的任何其他信息，但它與動態(tài)功耗這一更廣泛的主題完全相關(guān)?！　∪绻覀儼醋?Ctrl 并單擊其中一個瞬時功率波形的跡線標(biāo)簽，LTspice 將打開一個光標(biāo)框。此框底部的字段標(biāo)記為“積分”，報(bào)告模擬轉(zhuǎn)換過程中損失的能量。例如，圖 10 顯示了 NMOS 在低到高輸出轉(zhuǎn)換過程中的總能量損失。

　　一次上升轉(zhuǎn)換過程中通過 NMOS 晶體管損失的能量。
　　圖 10.一次上升轉(zhuǎn)換過程中通過 NMOS 晶體管的能量損失。
　　圖 11 顯示了下降沿轉(zhuǎn)換的總 NMOS 能量損失?！　∫淮蜗陆笛剞D(zhuǎn)換過程中通過 NMOS 的能量損失。

　　圖 11.一次下降沿轉(zhuǎn)換期間通過 NMOS 的能量損失。
　　一旦我們找到 PMOS 的總能量損耗（圖 12 和 13），我們就可以估算出逆變器的平均動態(tài)功率耗散?！　∫淮紊仙D(zhuǎn)換期間通過 PMOS 損失的能量。

　　圖 12.一次上升沿期間通過 PMOS 的能量損失?！　∫淮蜗陆笛剞D(zhuǎn)換期間通過 PMOS 損失的能量。

　　圖 13.一次下降沿轉(zhuǎn)換過程中通過 PMOS 的能量損失。
　　為了方便參考，能量損失值在表 1 中重現(xiàn)。請注意右側(cè)的“總計(jì)”列 - 我們稍后會使用這些數(shù)字。
　　表 1.一次上升和一次下降轉(zhuǎn)換期間晶體管的總能量損失。
　

　我們現(xiàn)在可以估算逆變器的平均動態(tài)功率耗散如下：　P平均值=( P上升+ P下降) × f   

　其中f是每秒的周期數(shù)。

　　對于此模擬，我們有P上升= 16.2 pJ 和P下降= 17.4 pJ。假設(shè)逆變器以 500 Hz 切換?；叵胍幌拢煌叩扔诿棵胍唤苟?(1 W = 1 J/s)，這給了我們估計(jì)的功耗：
　P平均值=(16.2pJ+17.4pJ)×500Hz=16.8nW       
　　至此，您已準(zhǔn)備好嘗試減少 CMOS 反相器中的動態(tài)電流和功耗的技術(shù)。至此，我關(guān)于 CMOS 反相器功耗的系列文章就結(jié)束了，不過我們以后可能會再討論這些模擬。與此同時，我希望您覺得我們的討論有所幫助。