CMOS功耗模型

目前,CMOS工艺在集成电路特别是数字IC中应用得很普遍。由于CMOS电路在输入稳定的时候总有一个管子截止,所以它的静态功耗在理想情况下应该是零,但这并不代表静态功耗真的为零,实际上CMOS电路的静态功耗就是指电路中的漏电流(这里不考虑亚阈值电流)。 CMOS电路功耗的主要来源是动态功耗,它由两部分组成:开关电流和短路电流。所以,整个CMOS电路的功耗如右式所示。
其中:
第一部分P是开关电流产生的动态功耗;
第三部分P是动态情况下P管和N管同时导通时的短路电流产生的动态功耗;
而第二部分P是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生的静态功耗。
在这三项中,第一部分P大约占电路功耗的80% ,因而这里就只考虑开关电流所产生的动态功耗。
开关电流是这样产生的:在CMOS电路,当输入为“0”时,PMOS导通,电源通过 PMOS向负载电容充电;而当电路输入为“1” 时,负载电容又会通过NMOS向地放电。开关电流就是不断对负载电容充放电所产生的。
一个CMOS反相器由开关电流引起的平均动态功耗如下式所示。

其中:
CL是负载电容,
VDD是电路的电压,
f是时钟频率。
Pleakage=Vddileakage
其中:
Vdd是电路的电压,
ileakage是漏电电流
Pshort=fVddishort
其中:
f是时钟频率,
Vdd是电路的电压
ishort是短路电流
所以,要想降低电路的功耗就应该降低电路的电压和频率。