我們不會(huì)進(jìn)一步討論靜態(tài)功耗。相反，本文和下一篇文章將介紹 SPICE 仿真，以幫助您更全面地了解逆變器的不同類(lèi)型的動(dòng)態(tài)功耗。本文重點(diǎn)討論開(kāi)關(guān)功率——輸出電壓變化時(shí)電容充電和放電所消耗的功率?！　Tspice 逆變器實(shí)施

　　圖 1 顯示了我們將使用的基本 LTspice 逆變器原理圖。

　　LTspice CMOS 反相器。
　　圖 1. CMOS 反相器的 LTspice 實(shí)現(xiàn)?！　≡诖藢?shí)現(xiàn)中，我們使用LTspice 組件庫(kù)中的nmos4和pmos4 MOSFET。指定 FET 的長(zhǎng)度和寬度非常簡(jiǎn)單 - 只需右鍵單擊電路符號(hào)，LTspice 將打開(kāi)圖 2 中的窗口。

　　在 LTspice 中指定逆變器 MOSFET 的尺寸。
　　圖 2.在 LTspice 中指定 MOSFET 尺寸。
　　我們將采用老式方法（該工藝節(jié)點(diǎn)于 2000 年代初引入），并對(duì)兩個(gè) MOSFET 使用 90 nm 長(zhǎng)度。對(duì)于 NMOS，我選擇了 150 nm 寬度。PMOS 寬度遵循經(jīng)驗(yàn)法則，即它應(yīng)比 NMOS 寬約 2.5 倍?！　☆~外的寬度補(bǔ)償了 PMOS 晶體管的較低遷移率，有助于均衡反相器的上升時(shí)間和下降時(shí)間。您可以分別在圖 3 和圖 4 中看到下降和上升輸出轉(zhuǎn)換。

　　模擬高到低輸出轉(zhuǎn)換?！　D 3.模擬 CMOS 反相器從高到低的輸出轉(zhuǎn)換。下降時(shí)間（90% 至 10%）為 610 ns。

　　模擬低到高輸出轉(zhuǎn)換。
　　圖 4.模擬 CMOS 反相器從低到高的輸出轉(zhuǎn)換。上升時(shí)間（10% 到 90%）為 390 納秒。
　　您可能已經(jīng)注意到，盡管我上面說(shuō)過(guò)，該逆變器的上升時(shí)間和下降時(shí)間并不相等。相反，電壓圖記錄了 610 ns 的下降時(shí)間和 390 ns 的上升時(shí)間。默認(rèn) LTspice 模型庫(kù)中的 NMOS 和 PMOS 晶體管具有與我預(yù)期不同的電氣性能特性。
　　模擬充電和放電電流
　　CMOS 反相器的動(dòng)態(tài)功耗與邏輯狀態(tài)之間過(guò)渡階段期間流動(dòng)的兩種類(lèi)型的電流相關(guān)。在本文中，我們僅討論一個(gè)：電容充電和放電所需的電流。為了幫助我們檢查這一點(diǎn)，我在原始示意圖中添加了以下內(nèi)容：
　　一個(gè)小電容。這表示輸出電壓變化時(shí)必須充電的負(fù)載電容。
　　一個(gè)非常大的電阻。這代表連接到逆變器輸出端子的高阻抗組件。　　新原理圖如圖 5 所示。請(qǐng)記住，在實(shí)際電路中，輸出電容不僅僅是輸出節(jié)點(diǎn)上的單個(gè)電容。寄生電容和內(nèi)部電容也會(huì)影響總輸出電容。

　　LTspice 逆變器具有輸出電容和負(fù)載電阻。

　　圖 5.具有輸出電容和負(fù)載電阻的 LTspice 逆變器。
　　圖 6 中的紅色跡線顯示了在低到高輸出轉(zhuǎn)換期間流入該反相器V OUT節(jié)點(diǎn)的電流。我通過(guò)按住 Alt 鍵并單擊通向 C1 和 R1 的電線將其添加到圖中。這是您可能沒(méi)有意識(shí)到的一個(gè)方便的 LTspice 技巧 — 您可以使用 Alt + 單擊（或 Cmd + 單擊，如果您使用的是 Mac）來(lái)測(cè)量流過(guò)電線任何部分的電流。　　從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

　　圖 6.從低到高輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流（紅色跡線）。
　　瞬態(tài)兩側(cè)的穩(wěn)態(tài)電流可以忽略不計(jì)。在瞬變之前，它基本上為零，因?yàn)閂 OUT處于地電位。隨著V OUT增加，大量電流必須從VDD流出并流經(jīng) PMOS 晶體管以對(duì) C1 充電。瞬態(tài)過(guò)后，V OUT達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 V DD。由于 R1 電阻太大，電流再次極低（約 18 nA）。
　　上圖中的電流被報(bào)告為正，因?yàn)?LTspice 假設(shè)從 PMOS 漏極流出以給 C1 充電的電流為正。下一個(gè)圖（圖 7）顯示了從高到低的輸出轉(zhuǎn)換。由于放電電流流向另一個(gè)方向，因此被報(bào)告為負(fù)?！　「叩降洼敵鲛D(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流。

　　圖 7.從高到低輸出轉(zhuǎn)換期間的瞬態(tài)電流（紅色跡線）。
　　當(dāng)它們流經(jīng) PMOS 或 NMOS 轉(zhuǎn)換器的電阻時(shí)，這些瞬態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致能量損失。這種損耗在前一篇文章“ CMOS 逆變器的功耗”中進(jìn)行了解釋。