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当CMOS反相器切换逻辑状态时，由于其充电和放电电流而消耗功率。了解如何在LTspice中模拟这些电流。

本系列的第一篇文章解释了CMOS反相器中两大类功耗：

动态，当反相器从一种逻辑状态变为另一种时发生。

静态，由稳态运行期间流动的泄漏电流引起。

我们不再进一步讨论静态功耗。相反，本文和下一篇文章将介绍SPICE仿真，以帮助您更彻底地了解逆变器的不同类型的动态功耗。本文关注的是开关功率——当输出电压变化时，由于电容充电和放电而消耗的功率。

LTspice逆变器的实现

图1显示了我们将要使用的基本LTspice逆变器示意图。

一个LTspice CMOS反相器。

图1。CMOS反相器的LTspice实现。

在这个实现中，我们使用LTspice组件库中的nmos4和pmos4-MOSFET。指定FET的长度和宽度很容易——只需右键单击电路符号，LTspice就会打开图2中的窗口。

指定LTspice中逆变器MOSFET的尺寸。

图2:指定LTspice中的MOSFET尺寸。

我们将是老式的——这个工艺节点是在21世纪初引入的——并且两个MOSFET都使用90 nm的长度。对于NMOS，我选择了150nm的宽度。PMOS的宽度遵循经验法则，即它应该比NMOS宽约2.5倍。

额外的宽度补偿了PMOS晶体管中较低的迁移率，有助于均衡逆变器的上升时间和下降时间。您可以分别在图3和图4中看到下降和上升的输出转换。

模拟的高到低输出转换。

图3。模拟CMOS反相器的高到低输出转换。下降时间（90%到10%）为610纳秒。

模拟的从低到高输出转换。

图4。模拟CMOS反相器的低到高输出转换。上升时间（10%至90%）为390ns。

你可能已经注意到，尽管我在上面说过，这个逆变器的上升和下降时间是不相等的。相反，电压图记录了610ns的下降时间和390ns的上升时间。默认LTspice模型库中的NMOS和PMOS晶体管具有与我预期不同的电气性能特性。

充放电电流模拟

CMOS反相器的动态功耗与在逻辑状态之间的过渡阶段期间流动的两种类型的电流有关。在这篇文章中，我们只讨论一个：充电和放电电容所需的电流。为了帮助我们检查这一点，我在原始示意图中添加了以下内容：

一个小电容器。这表示输出电压变化时必须充电的负载电容。

一个非常大的电阻器。这表示连接到逆变器输出端子的高阻抗部件。

新的示意图如图5所示。请记住，在实际电路中，输出电容不仅仅是输出节点上的单个电容。寄生电容和内部电容也对总输出电容有贡献。

具有输出电容和负载电阻的LTspice逆变器。

图5。具有输出电容和负载电阻的LTspice逆变器。

图6中的红色轨迹显示了在低到高输出转换期间流入该逆变器的VOUT节点的电流。我通过按住Alt键并单击通向C1和R1的导线将其添加到绘图中。这是一个你可能没有意识到的方便的LTspice技巧——你可以使用Alt+click（如果你在Mac上，则可以使用Cmd+click）来测量流经任何导线段的电流。

从低到高输出转换期间的瞬态电流。

图6。从低到高输出转换期间的瞬态电流（红色轨迹）。

稳态电流在瞬态的两侧都可以忽略不计。在瞬态之前，它基本上是零，因为VOUT处于地电位。随着VOUT的增加，显著的电流必须从VDD流经PMOS晶体管以对C1充电。在瞬态之后，VOUT在VDD处达到其新的稳态值。由于R1电阻如此之高，所以电流再次极低（约18nA）。

上面的曲线图中的电流被报告为正，因为LTspice假设从PMOS漏极流出以对C1充电的电流是正的。下一个图（图7）显示了从高到低的输出转换。由于放电电流是向另一个方向流动的，因此报告为负。

高到低输出转换期间的瞬态电流。

图7。高到低输出转换期间的瞬态电流（红色轨迹）。

当它们流过PMOS或NMOS转换器的电阻时，这些瞬态电流会导致能量损失。这种损失在前面的文章“CMOS反相器的功耗”中有解释

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我们已经研究了CMOS反相器中开关电流的原理图设计和模拟结果。在这个由三部分组成的系列的最后一期中，我们将检查短路电流。为此，我们将使用LTspice的能力来直接测量瞬时功率。

关键词： CMOS 反相器 功耗 仿真 LTspice