Dr. Pap László jegyzete - BME Hálózati Rendszerek és ...

17.2. A LEGFONTOSABB LOGIKAI ÁRAMKÖRCSALÁD, A CMOS RENDSZER ISMERTETÉSE 389
i D Drain áram 1 [µA]−100 [mA]
u DS Drain-source feszültség (−3)−(+3) [V]
u GS Gate-source feszültség (−3)−(+3) [V]
U P Elzáródási feszültség (−0,8)−(+0,8) [V]
µ n A felületi elektron mozgékonysága 400 [ cm 2 /Vs ]
µ p A felületi lyuk mozgékonysága 250 [ cm 2 /Vs ]
C0 ∗ Négyzetes kapacitás 3−10 [ fF/µm 2]
W A csatorna szélessége 0,2−3 [µm]
L A csatorna hosszúsága 0,1−0,5 [µm]
A CMOS inverter teljesítményfelvétele. A CMOS logika egyik legfontosabb előnye az, hogy
statikus állapotban (amikor a kimeneten fix logikai "1" vagy logikai "0" van) az inverter nem
vesz fel áramot a telepből. vagyis nem vesz fel teljesítményt sem. Ebből nyilvánvaló, hogy a
CMOS inverter, sőt a CMOS logikai család minden eleme csak dinamikusan terheli a telepet,
vagyis teljesítményt csak a logikai állapotváltás alatt vesz fel.
A dinamikus teljesítményfelvétel számításához tételezzük fel, hogy a CMOS invertert T idejű
(f = 1/T frekvenciájú) periódikus jellel vezéreljük. Ekkor az inverter egy teljes periódus során
kétszer tölti át a C t kondenzátort 0 ésU t feszültség között.
A kimeneti "0"-"1" átmenet esetén a T 2 tranzisztor a C t kondenzátort az i D2 (t) árammal tölti
azU t feszültségű telepről, ezért a tranziens során a telep éppen
E T2 =
∫ ∞
0
U t i D2 (t)dt (17.34)
energiát ad le, amíg a C t kondenzátor u C (t) feszültsége 0-ról U t -re változik. Mivel a feltöltés
fázisában
du C (t)
i D2 (t) = i C (t) = C t , (17.35)
dt
ezért a telepből felvett energia
E T2 =
∫ ∞
0
∫ ∞ ∫ ∞
U t i C (t)dt = U t i C (t)dt = C t U t
0
0
∫
du C (t) Ut
dt = C t U t du C = C t Ut 2 .
dt 0
(17.36)
AzE T2 energia egy része az U t feszültségre feltöltöttC t kondenzátorban tárolódik, ami
E C = 1 2 C tU 2 t , (17.37)
az energia másik része
E PMOS = 1 2 C tU 2 t (17.38)
pedig a T 2 tranzisztoron disszipálódik (hővé alakul).
A kimeneti "1"-"0" átmenet esetén a T 1 tranzisztor aC t kondenzátort azi D1 (t) árammal kisüti,
a telep árama ezalatt nulla értékű. a telep éppen
E T1 =
∫ ∞
0
U t i D2 (t)dt = 0 (17.39)
energiát ad le, amíg a C t kondenzátor u C (t) feszültsége U t -ről 0-ra változik. Mivel a kisütés
fázisában
du C (t)
i D1 (t) = −i C (t) = −C t és u C (t) = u DS1 (t), (17.40)
dt