一，逻辑门威廉希尔官方网站

我们在设计数字威廉希尔官方网站 时，都希望器件的功耗低、速度快并且封装（器件价格）便宜。但这如同所有的“神秘三角”一样，是不可兼得的。所有的逻辑器件都是在权衡了功耗、速度和封装之后的折衷方案：

——“神秘三角”有项目的管理三角：范围、时间和成本；病毒三角：传染性、毒性和适应性（新冠病毒之所以没有灭绝人类，就是因为它受到了这“神秘三角”的约束）；等。

1. 标准封装在制造时节省了费用，但降低了器件的灵活性；
2. 标准封装限制了每个封装单元内的门威廉希尔官方网站 和管脚数量，迫使设计者将大的系统拆分成多个器件；

——器件之间的信号连接响应明显比同一封装内信号要慢，所需的功率更大；即，使得系统的性能降低，功耗增加。

3. 标准的封装结构限定了器件所允许的最大散热能力，如果要改进封装的散热能力，则需要花费额外的成本；
4. 随着芯片制造工艺的改进，每个逻辑单元尺寸变的更小，在相同的封装内可以集成更多的门威廉希尔官方网站 数量；高密度的封装有助于降低产品尺寸和组装成本，但这意味着需要更大的单位面积散热的能力；

——每个封装所允许的最大散热功耗限定了封装内的门威廉希尔官方网站 数量。

5. 高速器件通常消耗更大的功率，速度和功率在一定程度上可以相互对应；所以封装的最大散热功耗，也称为了高速的限制因素。

——在相同制造工艺下，速度越高的器件功耗会越大。

所以对于逻辑门威廉希尔官方网站 高速特性，我们主要考虑如下三个方面：

1. 功耗：分为静态功耗和 动态功耗 ；
2. 速度：

1, 理论上：数字逻辑的设计重点是关注 逻辑门威廉希尔官方网站 的传输延时 ；

2, 实际上：通常取决于 最小输出转换时间（边沿时间） 。

——较快的转换时间会导致回流，串扰和振铃等与传输延时无关的问题倍增。

3. 封装，对于任何高速器件封装都会引入：管脚寄生电感、寄生电容以及散热的问题。

二，功耗

我们想要知道一个逻辑器件的功耗，一般会查看其数据手册上的典型电流值Icc，但这并非是器件的实际功耗，或则说在一些条件下器件的功耗会远大于标称的Icc电流值。举个栗子：常用的16位驱动器74LVTH16245，如果16个输出管脚同时快速翻转，那么其实际功耗应该会远超规格书中的Icc，如下图所示。

如下图所示，为一个简单的TTL反相器的内部逻辑结构，从功耗角度分为4部分：

——如下每一种功耗都可以进一步细分为：静态功耗和动态功耗。

1. 输入功耗；
2. 内部功耗；
3. 驱动威廉希尔官方网站 功耗；
4. 输出功耗。

1，静态功耗和动态功耗

这里非常重要的概念是：静态功耗和动态功耗。我们所有的功耗都可以将它分为这两部分。

静态功耗：指逻辑威廉希尔官方网站 保持一个逻辑状态时消耗的功率。静态功耗可以由每个阻性单元两端电压V和电流I的乘积计算所得（P静态 = V*I），并且求和得到总功率，这是在没有负载情况下的静态功耗（即数据手册上看到的Icc标称值）。

——需要强调的是：静态功耗是不计负载损耗的器件自身功耗。

但实际上逻辑威廉希尔官方网站 不跳变则无法传递信息，也就成了无用之物，我们需要器件“动”起来，那么器件就要消耗超过它正常静态功耗之外的“额外功率”。当这个变化很有节奏时，举个栗子：以时钟信号频率跳变；那么：动态功耗 = 周期频率* 每个周期额外的功率。

——动态损耗最常见的原因：负载电容（RC充电）和偏置电流。

如下图所示为驱动一个容性负载时的情形：

1. t1时刻威廉希尔官方网站 开关A闭合（B断开）：负载电容充电至Vcc，在电容充电时电流流过驱动电阻“R充电”，有功率消耗；
2. t2时刻威廉希尔官方网站 开关B闭合（A断开）：负载电容通过电阻“R放电”进行放电，电流流过驱动电阻，也有功率消耗；
3. t1和t2之间有一个“死区时间”（A和B都断开）：此死区时间是为了防止电源Vcc直接通过开关短路到GND，造成器件损耗增加，甚至烧坏内部开关。

——该“死区时间”的原理同开关电源，在逻辑门威廉希尔官方网站 中，其主要影响器件的功耗和电平切换速率（I/O管脚支持的最大速率）。

那么一个电压源通过电阻R对容性负载C充电或放电时，是如何计算它的功耗呢？

1. 胖友们已经知道电容是一个储能元件，并不会耗电，所以在容性负载充放电过程中不会耗电；

——如果有胖友还对这个问题有疑问：电容器有ESR，有寄生电阻呀等等；建议再回顾《阻容感基础01》中的内容，另外我想说的是：我们要区分电容与电容器这两个概念；电容是指容性，而电容器是指具体的器件，对于容性本身来说，它是不会造成电能的损耗，而造成损耗的是阻性。

2. 我们来考虑RC充/放电威廉希尔官方网站 中电阻R的能量消耗，有如下两个计算方法：

1, 直接计算电阻R在充电RC充电威廉希尔官方网站 中的功耗：P = I² * R，由于电流并非线性的，而是指数函数：(U/R)*exp(-t/τ)；所以需要用到积分公式来进行计算，具体计算如下：

RC放电威廉希尔官方网站 是充电的反向过程，同理其消耗在电阻R上的功耗也为(1/2)* CV²cc；所以充放电的总功耗为：P = CV²cc；

——指数函数的积分（面积）是1（即指数函数积分从-至x的积分值就是其本身，t 是-∞至0，那么可得积分为e⁰= 1），具体请参考《传递函数和波特图》的“说在开头”章节关于自然常数e的描述。

2, 将RC威廉希尔官方网站 看成一个整体，同时将充电和放电看成一个整体；那么器件给R/C充电的总能量，就等于RC充电和RC放电两个过程中总共消耗的能量；电源消耗总能量：P = VccIt = VccQ = Vcc Vcc C = C V²cc；

——电源总能量是指器件Vcc通过“R充电”给容性负载C充电，然后由容性负载C通过“R放电”释放掉的总电能量；经过整个充电和放电过程，容性负载上并无能量储存，所以所有的能量都被电阻所消耗，即，我们可认为Vcc释放出来的能量都消耗在了电阻上。

3, 所以我们得到结论：对于恒压电源充电 / 放电威廉希尔官方网站 来说 ，不管串接的电阻R阻值是多少，每个充电周期消耗掉的能量是总电源能量的一半：(1/2)* CV²cc；而整个充放电周期（管脚输出一个时钟周期）消耗的能量是：C V²cc。

3. 如果器件管脚以f Hz频率循环工作，那么驱动威廉希尔官方网站 的功率为：f * C* V²cc。

——举个栗子：输出10MHz时钟信号，负载电容为10pF，电压为3.3V，那么驱动功率：1010⁶Hz1010⁻¹²F3.33.3V² ≈ 1.110⁻³W = 1.1mW；这么一算单个管脚的功耗还是比较小的；但这只考虑了理想情况，后续还有跟个详细的分析。

2，叠加偏置电流的动态功耗

如上图TTL反相器的输出驱动威廉希尔官方网站 在H（高电平）和L（低电平）之间较低转换，Q1和Q2交替处于导通状态，而非两者同时导通；这种威廉希尔官方网站 配置有两个激励威廉希尔官方网站 ：一个把输出电压上拉到H，另一个将输出电压下拉到L，通常称之为推挽输出威廉希尔官方网站 。TTL和CMOS都有推挽输出，如下左图为CMO推挽式输出威廉希尔官方网站 。

TTL推挽式输出结构工作原理如上右图所示，结构中各个器件的作用如下：

1. 二极管D保证了在T2和T3全饱和时，输出电平钳位输出是低电平，防止T3和T4同时导通产生大的交越电流；

——所有推挽式输出威廉希尔官方网站 都需要有保护威廉希尔官方网站 ，防止高驱动和低驱动威廉希尔官方网站 同时导通。

2. 如果输入电平转换很快时，每个周期都有一个交越电流并消耗一定的功耗（如下图所示），交越电流产生的额外功耗与转换速率成正比；

——对于一个快速的输入转换，重叠电流脉冲的大小和波形在每个周期都是一致的，并且每个周期消耗的能量也相同，所以这部分额外功耗与转换速率成正比，与容性负载导致的功耗不同：交越电流产生的功耗并不随电源电压的平方增加。

3. 减缓输入信号边沿，会导致交越时间延长；如上图为门威廉希尔官方网站 典型直流电源电流与输入电压的函数关系曲线。

——减缓输入电压的转换时间往往会延长交越时间，导致T3和T4同时导通的电压附近停留的时间会更长，所以很多器件会对输入信号边沿时间有要求。

4. 对于TTL威廉希尔官方网站 来说，交越效应相比CMOS更显著；如果将一个TTL反相器的输入端与其输出端相连，会产生自我偏置，从而进入交越范围内，消耗大量能量。

——因此TTL威廉希尔官方网站 不适合用作线性的小信号处理器（如：振荡器），因为它们在线性工作状态是要消耗额外的能量。

3，输入功耗

芯片的输入功耗，来自于输出器件，并由它来激活输入威廉希尔官方网站 。对于输入威廉希尔官方网站 的偏置和触发来说是必需的。如下表对比了4种不同逻辑器件的静态和动态输入特性：

1. 静态输入功耗：驱动电压和输入电流的乘积；它包含了接收逻辑器件内部功耗和驱动器的功耗之和。
2. 动态输入功耗：需要计算输入电容、典型供电电压和工作频率代入公式：功率 = f * C*V²cc；计算出威廉希尔官方网站 驱动该输入时的总功耗。

——这些功耗相对比较小，只有较大数量扇出（Fanout）或系统要求在极低功耗运行时，才能体现其重要性。

4，内部功耗

内部功耗是指逻辑器件内部偏置电流和内部逻辑翻转的功耗，包括静态和动态功耗。

1. 静态内部功耗：是指在无负载驱动、输入端处于随机状态条件下的功耗，是所有输入状态（高/低/高阻）下的平均值；
2. 动态内部功耗：是指内部动态耗散常数“K动态”是在输出悬空，预设输入频率为时测量得到总功率P总，而后计算动态功耗常数： K动态 = (P总 – P静态)/f ；

——动态常数K动态表示周期频率每增加1Hz将额外消耗的功率。

3. 计算任意频率下的总功耗：总 = P静态 + f*K动态。

——动态频率在相对较频率（>10MHz）时才会比较明显。

在非常宽的频率范围内，CMOS器件的内部功耗和周期频率呈明显的线性关系，这是因为CMOS威廉希尔官方网站 的内部静态功耗非常低；而TTL器件由于内部静态功耗较大，所以直到工作频率接近器件的最大工作频率时才呈现出线性关系。如下图所示为不同类型TTL逻辑器件的门威廉希尔官方网站 内部功耗与工作频率的关系曲线：

1. 在10MHz以上：动态功耗远大于静态功耗，总功耗曲线几乎与频率成正比；
2. 在1MHz以下：动态功耗小于静态功耗，总功耗曲线相对于频率是平坦的。

CMOS器件数据手册用等效电容Cpd来表示内部功耗，CMOS内部功耗 = Cpd * V² * f。可得到CMOS器件功耗的关联因素：

1. 与管脚工作频率和负载电容成正比；

1，器件工作频率越来越高，是整个行业的发展方向，所以不能以降低管脚工作频率为代价来减小器件功耗；

2，负载电容与器件封装技术相关，器件小型化是发展趋势，但负载电容不能无限制地减小，需要付出更多的成本代价。

2. 与I/O工作电压的平方成正比。

——减小I/O工作电压对功耗影响非常大（平方正比关系），是最明确可行的方案，举个栗子：I/O电压从5V减小至1V，那么功耗将减小至1/25；所以我们看到器件工作电压是越来越小的趋势。

5，驱动威廉希尔官方网站 功耗

逻辑器件中的主要能量消耗在输出驱动威廉希尔官方网站 上，而驱动威廉希尔官方网站 功耗由：输出威廉希尔官方网站 的结构、逻辑电平、输出负载以及运行速度决定。我们主要考虑2种输出结构：

1. 推挽威廉希尔官方网站 输出；
2. 射极跟随器输出；

5.1 推挽威廉希尔官方网站 输出

如下左图所示为理想TTL驱动器在H（高电平）和L（低电平）状态下的静态功耗，对于标准TTL器件来说Q2处于饱和状态（低电平）时的压降VL固定在大约0.3V；在高电平H状态下，压降由Q1的VBE和正向偏置二极管D1钳位（Vcc - VHI），约为1.4V。此时TTL驱动电流威廉希尔官方网站 总静态功耗平均值近似为：P静态 = (0.3I灌+1.4I源)/2。

——此时Q1不会进入饱和状态，因为其B极电压不会上升到高于它C极电压（三极管饱和状态判断，具体参考《三极管原基础》相关章节）。

如上右图所示为CMOS驱动器威廉希尔官方网站 ，MOS管的导通压降很低，通常等效串联了上拉和下拉电阻；所以CMOS驱动器在高电平和低电平状态下的静态功耗：P静态 = (RbI²灌+RaI²源)/2。

——举个栗子：某器件VOL（Io = 4mA），25℃时典型值为0.15V，最大值为0.33V；某器件VOH（Io = -4mA），25℃时典型值为4.32V，最大值为3.48V；那么根据R = V/I，可计算Ra的阻抗范围是：37Ω83Ω；Rb的阻抗范围是：45Ω165Ω。在不同电源电压下，CMOS驱动器的输出电阻变化很大。

推挽威廉希尔官方网站 输出负载能力，如果只按照所接负载直流输入要求进行计算，使输出负载能力达到它的直流最大扇出，特别是CMOS总线理论上的扇出能力是无限的；重负载的总线结构会带来两个问题：

1. 边沿时间会变缓；
2. 驱动器功耗增大。

输出总负载电容为：器件管脚寄生电容（10pf/pin）+PCB走线寄生电容（2pf/in）。举个栗子：我们有20个负载和10in长度的PCB走线，那么总电容 = 负载电容+走线电容 = 2010pf/pin + 10in 2pf/in = 220pF；此时信号边沿时间会变缓以及线路延迟会非常大。充电时间常数约等于驱动器输出电阻乘以输出负载电容，Trc = RC = 110Ω 220pF = 24ns（假设总线驱动器输出电阻为110Ω）。

——充电时间常数是指：电容从0充电至0.63Vcc所需的时间，升至高电平90%所需时间是Trc的两倍多：T10-90 = 2.2Trc = 53ns。

计算推挽威廉希尔官方网站 动态输出功耗：f * C* V²cc；假设最差供电电压为5.5V，负载电容如上所述为220pF，信号线输出频率为10MHz，那么可得每个驱动器的功耗：1010⁶Hz22010⁻¹²F5.5V² ≈ 0.067W，如果这是一个16bit的驱动器，那么同时翻转产生的器件总功耗：P总 = 16*0.067w ≈ 1.1W。而且当上升时间缓慢时，驱动器的功耗会更高。

5.2 射极跟随器（ECL）威廉希尔官方网站 输出

如下图所示为ECL射极跟随器输出威廉希尔官方网站 ，该威廉希尔官方网站 在HI（高电平）和LO（低电平）两个状态下都有电流流过。HI（高电平）和LO（低电平）输出电压都是相近的，这些器件一般用-5.2V电源供电，高电平VHI= -0.9V，低电平VLO = -1.7V；同时射极耦合逻辑威廉希尔官方网站 需要有一个上拉电阻R，用于端接至Vt = -5.2V或中间电压 -2.0V（戴维南匹配，具体参考《反射与阻抗匹配》），那么可得输出威廉希尔官方网站 的静态功耗：

P静态 = (1/2) [(Vcc-Vhi) (Vhi-Vt)+(Vcc-Vlo)*(Vol-Vt)]/R

其中，Vcc =0V，VHI= -0.9V，VLO = -1.7V, Vt = -5.2V；那么计算可得：P静态 = 4.91/R。

同样，如果将R下拉至-2.0V时，可以计算得到：P静态 = 0.75/R。

那么我们可以得到：对于相同的电阻值R，使用中间电压（-2.0V）端接时表现出明显的功耗优势；这是因为当电源电压被下拉到-2.0V时，下拉电阻汲取的电流比较小（意味着低功耗）。

1. 如上图所示，当晶体管Q1导通（信号上升沿），电流从晶体管输出流向下拉电阻Rpd和容性负载；由于Rpd相对于Re更大，Rpd的下拉电流相对于Re输出的I源电流可以忽略不计，所以输出电压上升时间不受下拉电流的影响；

——上图中给出Re = 7Ω，当给容性负载C充电时，其充电时间常数为：Trc = Re* C；而充电至90%所需的时间为T10-90 = 2.2*Trc。

2. 当晶体管Q1截止（信号下降沿），从而不再有电流流过发射极；只有容性负载C通过下拉电阻Rpd放电：下降时间与电容C放电的速度成正比，功耗与静态下拉电流成正比；此时需要有一个大电流迅速地将电容C放电；

——如果Q1完全截止（忽略其漏电流），从90%-10%的下降时间为：T90-10 = RpdCln[(1-0.1K)/(1-0.9K)]；其中常数K = (Vhi-Vlo)/(Vhi-Vi)；如上面栗子参数（Vt = -5.2V），可计算K = 0.186， T90-10 = 0.164RpdC。若Vt = -2.0V，那么计算K = 0.727，T90-10 = 0.987RpdC。

3. 当Vt = -2.0V时虽然功耗相对较小，但是边沿时间会更长，为了达到相同的相同时间，必须要求所采用的下拉电阻相比于Vt = -5.2V电阻的阻值更小，而一旦选择了较小的电阻，其两种匹配方式的功耗数也大致相等。

——同时考虑其它方面：1，采用Vt = -5.2V不需要引入单独的新电源；2，采用Vt = -2.0V时下拉电阻范围在50100Ω，正好可以作为线路的终端匹配（阻抗匹配），而Vt = -5.2V时端接电阻在330680Ω，不适合做终端匹配（关于终端匹配相关知识参考：《反射与阻抗匹配》章节内容）。

4. ECL输出威廉希尔官方网站 相对于推挽输出威廉希尔官方网站 的好处是：

1, 由于电压摆幅小，所以威廉希尔官方网站 动态功耗非常小（下拉电阻产生的损耗）；

2, 没有推挽输出威廉希尔官方网站 的高低电平切换“死区时间”，切换的速率更快，且无额外损耗。