Динамическая рассеиваемая мощность

Динамическая рассеиваемая мощность возникает в момент переключения схемы из одного логического состояния в другое и определяется двумя основными источниками – сквозными токами, которые протекают через логический элемент в момент переключения, и токами заряда/разряда паразитных емкостей логических элементов. Следовательно, чем выше переключательная активность схемы, тем больше рассеиваемая мощность. При отсутствии переключений динамическая мощность равна нулю.

Большинство цифровых КМОП БИС не требуют использования конденсаторов для выполнения своих функций. Исключение составляют устройства динамической памяти, устройства выборки – хранения, устройства задержки сигналов. Конденсаторы в эквивалентной схеме КМОП элемента образуются за счет паразитных емкостей транзисторов и линий связи, поэтому паразитная емкость оказывает существенное влияние как на время задержки распространения сигнала, так и на величину рассеиваемой мощности.

Рисунок 5.11– Эквивалентная электрическая схема инвертора

Для приблизительной оценки величины рассеиваемой мощности представим инвертор на рис. 5.11, а в виде эквивалентной емкости С_м. Ее заряд и разряд происходит через резисторы R_p и R_n, параметры которых определяются сопротивлением открытого канала р-канального и n-канального транзисторов, соответственно (рис. 5.11).

Переключение элемента в состояние логической единицы «1» соответствует заряду С_э, а переключение элемента в состояние логического нуля «0» соответствует разряду С_э. При заряде половинаэнергии, поступающей от источника питания, сохраняется на конденсаторе С_э, а другая половина рассеивается в виде тепла на резисторе R_p. При переключении инвертора в состояние логического нуля энергия, сохраненная на конденсаторе будет рассеяна на резисторе R_n, а ее значение составит:

(5.5)

Если частота управляющего сигнала равна f, то рассеиваемую мощность можно вычислить из простого выражения:

(5.6)

Вторым источником динамической рассеиваемой мощности КМОП-схем является сквозной ток через логический элемент при его переключении i_c(t).

Отметим особенности сквозного тока:

1) Сквозной ток протекает только в момент времени t, когда входное напряжение U_вх >U_пор.n и U_вх<U_пор.р, где U_пор.n и U_пор.р соответственно пороговые напряжения n- и р-канальных транзисторов. Следовательно, чем меньше разница между этими значениями, тем меньше сквозной ток.

2) Величина сквозного тока обратно пропорциональна емкости нагрузки С_н. При отсутствии емкости значение тока максимально, при возрастании емкости нагрузки ток уменьшается.

3) Величина сквозного тока прямо пропорциональна длительности фронтов входного сигнала, т.е. чем длиннее фронт, тем больше сквозной ток.

Для упрощения расчетов сквозной ток будем учитывать в виде дополнительной емкости С_1, , которая размещается параллельно С_н. Значение этой емкости может быть найдено из простого выражения:

(5.7)

где - напряжение питания; - ток насыщения транзисторов; - время протекания сквозного тока.

Это позволяет для оценки динамической мощности использовать вышеприведенное выражение.

Мощность рассеивания любого статического КМОП инвертора в режиме сквозного тока зависит как от величины емкости (тока) выходной нагрузки, так и от длительности фронтов (времени нарастания и спада) входных сигналов.

С увеличением тока нагрузки вклад составляющей мощности в режиме сквозного тока в общее значение потребляемой инвертором мощности уменьшается. Построение адекватной модели нагруженного инвертора является достаточно сложной задачей – на первом этапе ограничимся упрощенным случаем ненагруженного КМОП инвертора, представленного на рис. 5.11. Опять же, для упрощения последующих выражений будем рассматривать симметричный инвертор (т.е. k_n = k_p и U_{пор. n}= U_пор.p, где k_n и k_p – удельные крутизны n и р-канальных транзисторов, соответственно (рис. 5.12) на вход которого поступает сигнал, у которого время нарастания сигнала равно времени спада, т.е. τ_нр =τ_сп =τ. Входной сигнал также берем периодический с периодом Т.

В течение интервала времени от t₁ до t₂ значение сквозного тока возрстает с 0 до I_max . Что касается n-MOП транзистора, то поскольку выполняется условие: он будет находиться в состоянии насыщения. Тогда ток стока можно определить с помощью простой квадратичной формулы:

(5.8)

которая справедлива во всем диапазоне тока 0 ≤ I≤I_max

Рисунок 5.12– Совмещенные эпюры входного сигнала и сквозного тока

В силу принятого нами допущения о симметрии инвертора этот ток будет достигать своего пика, когда и его эпюра будет симметричной относительно вертикальной оси до момента времени t=t₂.

Величину среднего значения тока можно определить путем деления на значение параметра Т результата интегрирования непрерывного тока от t=0 t=T:

(5.9)

Интегрируя это выражение и допуская, что нарастающая и спадающая эпюры напряжения на входе изменяются по линейному закону, можно получить следующее простое выражение:

(5.10)

Таким образом, мощность рассеяния для «закороченной» схемы нагруженного инвертора можно определить из следующего выражения

,

(5.11)

Из выражения (5.11) видно, что величина Р_рас зависит от частоты переключения инвертора (1/Т), используемого уровня напряжения питания и длительности времени нарастания и спада входного сигнала. Из анализа последних приведенных выше выражений следует важный вывод – если входной и выходной сигналы имеют одинаковые времена спада и нарастания, то мощность рассеяния для такой «закороченной» схемы невелика. Однако если инвертор немного «нагрузить», что вызовет более короткое значение времени нарастания и спада выходного сигнала, чем время нарастания и спада входного сигнала, мощность рассеяния такой схемы возрастает и становится сравнимой с динамической мощностью рассеяния. Поэтому для минимизации мощности рассеяния КМОП инвертор следует проектировать таким образом, чтобы времена спада и нарастания входного сигнала были приблизительно равны временам нарастания и спада выходного сигнала.