互补的含义
互补金属氧化物半导体技术(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)把n沟道与p沟道MOS晶体管组合使用。名称既用于描述互补电路结构,也用于支持这两类器件共同制造的集成电路工艺。两种含义相互关联,但制造出两类晶体管,并不意味着芯片中每个电路都采取同一种连接方式。
最简单的静态CMOS反相器只有一对互补晶体管:p沟道器件连接电源侧,n沟道器件连接地侧,两者的栅极接受同一输入,连接处作为输出。它实现的是逻辑取反,不是把直流电能转换为交流的电力逆变器。
反相器怎样保持逻辑状态
输入接近低电平时,n沟道器件截止,p沟道器件导通,将输出拉向电源电压;输入接近高电平时,情况相反,输出被拉向地。理想稳定状态下,总有一个器件切断电源到地的直流通路,因此无需持续通过该通路耗电来维持输出逻辑值。
这种互补上拉和下拉结构可以推广到与非、或非等逻辑门。输出能接近电源两端的电位,具有适合级联的逻辑电平和噪声裕量;静态耗电较低又减轻了大量逻辑门同时存在时的供电与散热负担。这些性质共同解释了CMOS适用于大规模数字集成电路的原因,而不只是某一个晶体管特别省电。
低静态功耗不等于零功耗
真实器件即使处于稳定逻辑状态仍会漏电,芯片其他内部电路也可能需要静态电流。输入若停在高、低电平之间,互补器件还可能同时部分导通。因此“静态电流为零”是简化模型,不是对任何CMOS产品、温度和输入条件的绝对保证。
状态翻转时,输出负载和内部节点的电容需要充放电。简单反相器每完成一次充放电循环,从电源取得的能量约为C×V²;若每秒完成f次循环,相应平均功耗约为C×V²×f。真实逻辑门并不一定每个时钟周期都翻转,估算还须考虑活动率。转换期间两管短暂同时导通,也会带来额外的贯通电流。
速度、负载与应用边界
电容充放电需要时间,负载较大或驱动能力较弱都会影响传播延迟。降低电压有利于减少充放电能量,但速度、噪声裕量和工作范围也必须一起核对。减小不必要的翻转、控制负载和满足输入转换时间要求,是比简单贴上“低功耗”标签更具体的设计问题。
日常所说的“CMOS传感器”是采用相关工艺实现的图像传感器产品,不是CMOS技术的完整定义。判断一个电路是否属于静态互补逻辑,应看其上拉、下拉网络和工作方式;判断整颗芯片的功耗,则要看工艺、内部功能、负载和运行条件,不能只由名称推断。