CMOS反相器的电路结构和工作原理

本文介绍了CMOS器件输入、输出级电路所含CMOS反相器的电路结构和工作原理，从理论上分析了CMOS器件的静态功耗是0。然后分析了实际CMOS器件静态电流的来源和产生机理、计算方法。最后分析当输入电平在VCC和GND时，使得输入晶体管没有完全关断，引起静态电流delta_ICC。

1.CMOS反相器

通常，所有的低电压器件在其输入级和输出级有一个CMOS反相器。因此，为了完全理解静态功耗，参考下图1所示的CMOS反相器模式。

如图1中的Case1所示，如果输入是逻辑电平0，N-MOS器件截止，P-MOS器件导通，输出电压是VCC，为逻辑1。类似地对于Case2，当输入是逻辑1时，相关的N-MOS器件导通，P-MOS器件截止，输出电压是GND，为逻辑0。

注意，当门电路处于上述逻辑状态中的任一状态【0和1】时，两个晶体管【N-MOS器件和P-MOS器件】中的一个始终处于截止状态。因为没有电流流入门端，以及从VCC到GND不存在直流电流路径，相应的静态电流是0，因此静态功耗是0。

2.漏电流

然而，由于在扩散区域和基板之间存在反向偏置漏电流，仍然会有少量的静态功耗。器件内的反向偏置漏电流可以用一个描述CMOS反相器寄生二极管的简单模型解释，如下图2所示。

源极-漏极扩散和N-阱（N-well）扩散形成寄生二极管。在图2中所示为N-阱和基板之间的寄生二极管。因为寄生二极管是反向偏置，只有它们的漏电流贡献静态功耗。静态功耗是与器件漏电流和供电电压有关系。

绝大多数CMOS器件手册指定一个ICC最大值在10µA~40µA范围，这个范围包括了总的漏电流和其他电路功能可能要求的一些静态电流（在简单的反相器模型中未考虑）。

在CMOS器件中，漏电流ICC（流入器件的电流）与供电电压引起静态功耗。

3.静态电流delta_ICC

静态电流的另一个源是delta_ICC。当输入电平没有完全驱动到VCC和GND时，使得输入晶体管没有完全关断，引起静态电流delta_ICC。

备注：输入电平没有完全驱动到VCC和GND是指输入电平不是VCC或GND，而是VCC和GND之间的一个值，在这种情况下会使得供电电流（ICC）增加，即为该情况下的供电电流增加量delta_ICC，见下图。

从图中可以看出，对于ABT器件，如果VCC=5.5V，当一个输入在3.4V、其他输入为VCC或GND时，供电电流的增加量delta_ICC最大为1.5mA。