Tranzystory PMOS i NMOS

Mikroprocesory zbudowane są z tranzystorów. W szczególności zbudowane są z tranzystorów MOS. MOS to skrót od Metal-Oxide Semiconductor. Istnieją dwa rodzaje tranzystorów MOS: pMOS (dodatni-MOS) i nMOS (ujemny-MOS). Każdy pMOS i nMOS jest wyposażony w trzy główne elementy: bramkę, źródło i dren.

Aby właściwie zrozumieć, jak działają pMOS i nMOS, ważne jest, aby najpierw zdefiniować kilka terminów:

obwód zamknięty: Oznacza to, że prąd przepływa od bramy do źródła.

obwód otwarty: oznacza to, że prąd nie płynie od bramy do źródła; ale prąd płynie od bramy do odpływu.

Kiedy tranzystor nMOS otrzymuje napięcie, którego nie można pomijać, połączenie ze źródła do drenu działa jak przewód. Energia elektryczna będzie płynąć bez przeszkód ze źródła do odpływu — określa się to mianem obwodu zamkniętego. Z drugiej strony, gdy tranzystor nMOS otrzyma napięcie około 0 woltów, połączenie ze źródła do drenu zostanie przerwane, co określa się jako obwód otwarty.

Przykład tranzystora nMOS

Tranzystor typu p działa dokładnie przeciwnie do tranzystora typu n. Podczas gdy nMOS utworzy obwód zamknięty ze źródłem, gdy napięcie nie jest nieistotne, pMOS utworzy obwód otwarty ze źródłem, gdy napięcie jest nieistotne.

Przykład tranzystora pMOS

Jak widać na powyższym obrazie tranzystora pMOS, jedyną różnicą między tranzystorem pMOS a tranzystorem nMOS jest małe kółko między bramką a pierwszym słupkiem. Ten okrąg odwraca wartość od napięcia; tak więc, jeśli bramka wysyła napięcie reprezentujące wartość 1, to falownik zmieni 1 na 0 i spowoduje odpowiednie działanie obwodu.

Ponieważ pMOS i nMOS działają w odwrotny sposób — w sposób komplementarny — kiedy połączymy je oba w jeden gigantyczny obwód MOS, nazywamy to obwodem cMOS, co oznacza komplementarny półprzewodnik tlenkowy.

Wykorzystanie obwodów MOS

Możemy łączyć obwody pMOS i nMOS w celu budowania bardziej złożonych struktur zwanych GATES, a dokładniej: bramek logicznych. Koncepcję tych funkcji logicznych i związanych z nimi tabel prawdy przedstawiliśmy już w poprzednim blogu, który można znaleźć klikając tutaj.

Możemy podłączyć tranzystor pMOS, który łączy się ze źródłem i tranzystor nMOS, który łączy się z ziemią. To będzie nasz pierwszy przykład tranzystora cMOS.

Przykład bramki NOT

Ten tranzystor cMOS działa w sposób podobny do funkcji logicznej NOT.

Rzućmy okiem na tabelę prawdy NIE:

NIE tabela prawdy

W tabeli prawdy NOT każda wartość wejściowa: A jest odwrócona. Co dzieje się z powyższym obwodem?

Cóż, wyobraźmy sobie, że dane wejściowe to 0.

Wchodzi 0 i idzie zarówno w górę, jak iw dół przewodu do pMOS (na górze) i nMOS (na dole). Kiedy wartość 0 osiąga pMOS, zostaje odwrócona do 1; więc połączenie ze źródłem jest zamknięte. Daje to wartość logiczną 1, o ile połączenie z ziemią (dren) również nie zostanie zamknięte. Cóż, ponieważ tranzystory są komplementarne, wiemy, że tranzystor nMOS nie odwróci wartości; więc przyjmuje wartość 0, tak jak jest, i — w związku z tym — tworzy otwarty obwód do ziemi (drenaż). W ten sposób dla bramki tworzona jest wartość logiczna 1.

Wartość IN równa 0 daje wartość OUT 1

Co się stanie, jeśli 1 jest wartością IN? Cóż, wykonując te same kroki, co powyżej, wartość 1 jest wysyłana zarówno do pMOS, jak i nMOS. Gdy wartość jest odbierana przez pMOS, wartość zostaje odwrócona do 0; w ten sposób połączenie ze SOURCE jest otwarte. Gdy wartość jest odbierana przez nMOS, wartość nie zostaje odwrócona; w ten sposób wartość pozostaje 1. Gdy nMOS otrzyma wartość 1, połączenie zostaje zamknięte; więc połączenie z masą jest zamknięte. Da to wartość logiczną 0.

Wartość IN równa 1 daje wartość OUT równą 0.

Połączenie dwóch zestawów danych wejściowych/wyjściowych daje:

Tabela Prawdy dla bramki NOT.

Łatwo zauważyć, że ta tablica prawdy jest dokładnie taka sama jak ta, której NIE wytwarza funkcja logiczna. Jest to więc znane jako bramka NOT.

Czy możemy wykorzystać te dwa proste tranzystory do tworzenia bardziej skomplikowanych struktur? Absolutnie! Następnie zbudujemy bramkę NOR i bramkę OR.

Przykład bramki NOR

Ten obwód wykorzystuje dwa tranzystory pMOS na górze i dwa tranzystory nMOS na dole. Ponownie spójrzmy na wejście bramki, aby zobaczyć, jak się zachowuje.

Gdy A wynosi 0, a B wynosi 0, ta bramka odwróci obie wartości na 1, gdy dotrą do tranzystorów pMOS; jednak tranzystory nMOS utrzymają wartość 0. Spowoduje to, że bramka wygeneruje wartość 1.

Gdy A wynosi 0, a B wynosi 1, ta bramka odwróci obie wartości, gdy dotrą do tranzystorów pMOS; więc A zmieni się na 1, a B na 0. To nie doprowadzi do źródła; ponieważ oba tranzystory wymagają obwodu zamkniętego w celu podłączenia wejścia do źródła. Tranzystory nMOS nie odwracają wartości; tak więc nMOS powiązany z A da 0, a nMOS powiązany z B da 1; w ten sposób nMOS związany z B wytworzy obwód zamknięty z ziemią. Spowoduje to, że bramka wygeneruje wartość 0.

Gdy A wynosi 1, a B wynosi 0, ta bramka odwróci obie wartości, gdy dotrą do tranzystorów pMOS; więc A zmieni się na 0, a B na 1. To nie prowadzi do źródła; ponieważ oba tranzystory wymagają obwodu zamkniętego w celu podłączenia wejścia do źródła. Tranzystory nMOS nie odwracają wartości; więc nMOS powiązany z A da 1, a nMOS powiązany z B da 0; w ten sposób nMOS związany z Awill wytwarza obwód zamknięty z ziemią. Spowoduje to, że bramka wygeneruje wartość 0.

Gdy A wynosi 1, a B wynosi 1, ta bramka odwróci obie wartości, gdy dotrą do tranzystorów pMOS; więc A zmieni się na 0, a B na 0. To nie prowadzi do źródła; ponieważ oba tranzystory wymagają obwodu zamkniętego w celu podłączenia wejścia do źródła. Tranzystory nMOS nie odwracają wartości; tak więc nMOS powiązany z A da 1, a nMOS powiązany z B da 1; w ten sposób nMOS związany z A i nMOS związany z B utworzą obwód zamknięty z ziemią. Spowoduje to, że bramka wygeneruje wartość 0.

Tak więc tablica prawdy bramki wygląda następująco:

Wyjście bramki NOR.

Tymczasem tabela prawdy funkcji logicznej NOR wygląda następująco:

Wyjście funkcji logicznej NOR.

W ten sposób potwierdziliśmy, że ta bramka jest bramką NOR, ponieważ dzieli swoją tabelę prawdy z funkcją logiczną NOR.

Teraz połączymy obie bramki, które do tej pory stworzyliśmy, aby stworzyć bramkę OR. Pamiętaj, NOR oznacza NOT OR; więc jeśli odwrócimy już odwróconą bramkę, odzyskamy oryginał. Przetestujmy to, aby zobaczyć to w akcji.

Przykład bramki OR

To, co tutaj zrobiliśmy, to przejęcie bramki NOR z wcześniejszej wersji i zastosowanie bramki NOT do wyjścia. Jak pokazaliśmy powyżej, bramka NIE przyjmie wartość 1 i wyprowadzi 0, a bramka NIE przyjmie wartość 0 i wyprowadzi 1.

To pobierze wartości bramki NOR i przekonwertuje wszystkie zera na jedynki i jedynki na zera. Tak więc tabela prawdy będzie wyglądać następująco:

Tabela prawdy bramki NOR i bramki OR

Jeśli chcesz więcej przećwiczyć testowanie tych bramek, wypróbuj powyższe wartości dla siebie i przekonaj się, że bramka daje równoważne wyniki!

Przykład bramki NAND

Twierdzę, że jest to bramka NAND, ale przetestujmy tabelę prawdy tej bramki, aby ustalić, czy naprawdę jest to bramka NAND.

Gdy A wynosi 0, a B wynosi 0, pMOS A wygeneruje 1, a nMOS A wygeneruje 0; w ten sposób bramka ta wygeneruje logiczną 1, ponieważ jest podłączona do źródła w obwodzie zamkniętym i odłączona od masy w obwodzie otwartym.

Gdy A wynosi 0, a B wynosi 1, pMOS A wygeneruje 1, a nMOS A wygeneruje 0; w ten sposób bramka ta wygeneruje logiczną 1, ponieważ jest podłączona do źródła w obwodzie zamkniętym i odłączona od masy w obwodzie otwartym.

Gdy A wynosi 1, a B wynosi 0, pMOS B da 1, a nMOS B da 0; w ten sposób bramka ta wygeneruje logiczną 1, ponieważ jest podłączona do źródła w obwodzie zamkniętym i odłączona od masy w obwodzie otwartym.

Kiedy A wynosi 1, a B wynosi 1, pMOS A wygeneruje 0, a nMOS A wygeneruje 1; więc musimy również sprawdzić pMOS i nMOS B. pMOS B da 0, a nMOS B da 1; w ten sposób bramka ta wygeneruje logiczne 0, ponieważ jest odłączona od źródła obwodem otwartym i połączona z masą obwodem zamkniętym.

Tabela prawdy wygląda następująco:

Powyższa tabela prawdy bramy.

Tymczasem tabela prawdy funkcji logicznej NAND wygląda następująco:

W ten sposób sprawdziliśmy, że rzeczywiście jest to bramka NAND.

Jak teraz zbudować bramkę AND? Cóż, zbudujemy bramkę AND dokładnie w taki sam sposób, w jaki zbudowaliśmy bramkę OR z bramki NOR! Dołączymy falownik!

Przykład bramki AND

Ponieważ wszystko, co zrobiliśmy, polega na zastosowaniu funkcji NOT do wyjścia bramki NAND, tabela prawdy będzie wyglądać tak:

Kompletna tabela prawdy AND i NAND

Zweryfikuj ponownie, aby upewnić się, że to, co ci mówię, jest prawdą.

Dzisiaj omówiliśmy, czym są tranzystory pMOS i nMOS, a także jak z nich korzystać do budowy bardziej złożonych struktur! Mam nadzieję, że ten blog był dla Ciebie pouczający. Jeśli chcielibyście przeczytać moje poprzednie blogi, poniższą listę znajdziecie.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów