potenza dissipata dinamica
per quali motivi il CMOS ha bisogno di potenza?
siccome considero sempre situazioni in cui ho più dispositivi in cascata, abbiamo bisogno di energia per caricare la capacità sul nodo di uscita.
per cambiare di stato, in quanto dispositivi fisici, richiedono energia.
questa potenza dissipata l'andiamo a vedere guardando la corrente che il circuito preleva dall'alimentazione
corrente di source del mosfet a canale p (source collegato a Vdd), che in buona approssimazione corrisponde alla corrente di drain
Tiene conto della capacità di gate dell'invertitore CMOS collegato in uscita e di tutte le capacità interne dei dispositivi che inglobo con essa
PD''
I due mosfet si aprono e chiudono in un tempo finito, dunque c'è corrente che transita tra i due mosfet e che non carica capacità
PD'
POTENZA DISSIPATA E CONDENSATORE
COMMUTAZIONE 1-0 INGRESSO
L'ingresso passa da valore alto a valore basso, mi aspetto che l'uscita commuti quindi da 0 ad 1 IN UN DETERMINATO INTERVALLO DI TEMPO
la corrente che deriva dall'alimentazione carica la capacità in uscita
COMMUTAZIONE 0-1 INGRESSO
L'uscita commuta da 1 a 0, la capacità va a scaricarsi verso massa
non ho corrente prelevata dall'alimentazione
PER LA SCARICA DEL CONDENSATORE NON DISSIPO POTENZA
PER LA CARICA DEL CONDENSATORE DISSIPO POTENZA
POTENZA DISSIPATA E VARIAZIONI DI STATO
Sia nella transizione 1-0 che 0-1 ho una corrente che scorre simultaneamente nei due mosfet in quanto la commutazione non è istantanea
PD''
PD'
Per studiare questo contributo considero un segnale in ingresso molto veloce, con fronti di salita e di discesa ripidi.
se l'ingresso varia velocemente, anche l'uscita varierà altrettanto velocemente
mi riesco a porre nell'hp che la corrente di carica della capacità di uscita è molto più grande della corrente richiesta dai mosfet per la commutazione
considerando un segnale così veloce, diciamo che la potenza dissipata dal mio invertitore è unicamente quella che mi serve per la carica della mia capacità
corrente che scorre tra i mosfet è pari a zero
durante la transizione 0-1 dell'uscita la capacità si carica attraverso il PMOS da parte dell'alimentazione
valuto PD'' facendo il valor medio su un solo periodo
la tensione sta variando da 0 a PDD con una certa dinamica
la potenza dissipata da un invertitore CMOS per la carica della capacità è proporzionale alla frequenza del segnale di ingresso, alla capacità di carico e al quadrato della tensione di alimentazione
Per studiare questo contributo considero un segnale in ingresso molto lento, con una pendenza lineare (vin=alphat)
se l'ingresso varia lentamente, anche l'uscita lo farà
ipotizziamo di rallentare di molto il circuito, dunque la corrente che scorre tra i mosfet durante la transizione è molto più grande rispetto a quella di carica della capacità
come se non andassi a considerare la capacità sul nodo di uscita in quanto la sua corrente è trascurabile rispetto a quella nei dispositivi
se varia la tensione di ingresso, varia quella della corrente in quanto i dispositivi sono istantanei (hp semplificativa)
NMOS passa da interdizione a pinch-off ed infine triodo, il PMOS da triodo, a pinch-off e infine interdizione
finchè l'ingresso non supera il valore di soglia del NMOS, la corrente è zero, stesso quando l'ingresso supera Vdd-|Vth,p|.
quando supera il valore di soglia dell'NMOS la corrente è quella di pinch-off per l'nmos fino a quando non si arriva a Vdd/2 in cui entra in regione di triodo
Da Vdd/2 fino al valore Vdd-|Vth,p| la corrente è pari a quella di pinch off dell'PMOS che entra in regione di pinch-off
valuto quindi la potenza dividendo nel tempo di propagazione alto-basso e in quella basso-ato
le due commutazioni sono identiche, dunque posso calcolare soltanto una delle due e moltiplicare per due
se ho dimensionato l'invertitore come simmetrico, il contributo dato dalla corrente di pinch-off dell'NMOS è uguale a quello dato dal PMOS, posso calcolare soltanto uno dei due e moltiplicare per due
nel calcolo della potenza dinamica, questa coincide in generale con la potenza che richiedo nella carica della capacità di uscita
la potenza richiesta durante la transizione è molto più piccola