PMOS- und NMOS-Transistoren

Mikroprozessoren sind aus Transistoren aufgebaut. Sie sind insbesondere aus MOS-Transistoren aufgebaut. MOS ist ein Akronym für Metal-Oxide Semiconductor. Es gibt zwei Arten von MOS-Transistoren: pMOS (Positiv-MOS) und nMOS (Negativ-MOS). Jeder pMOS und nMOS ist mit drei Hauptkomponenten ausgestattet: dem Gate, der Source und dem Drain.

Um die Funktionsweise eines pMOS und eines nMOS richtig zu verstehen, ist es wichtig, zunächst einige Begriffe zu definieren:

Ruhestrom: Dies bedeutet, dass der Strom vom Gate zur Quelle fließt.

Leerlauf: Dies bedeutet, dass der Strom nicht vom Gate zur Quelle fließt; sondern Strom fließt vom Gate zum Drain.

Wenn ein nMOS-Transistor eine nicht vernachlässigbare Spannung empfängt, wirkt die Verbindung von Source zu Drain wie ein Draht. Der Strom fließt ungehindert von der Source zum Drain – dies wird als geschlossener Stromkreis bezeichnet. Wenn andererseits ein nMOS-Transistor eine Spannung von etwa 0 Volt erhält, wird die Verbindung von Source zu Drain unterbrochen, was als Leerlauf bezeichnet wird.

Beispiel für einen nMOS-Transistor

Der Transistor vom p-Typ arbeitet genau entgegengesetzt zum Transistor vom n-Typ. Während der nMOS mit der Source einen geschlossenen Stromkreis bildet, wenn die Spannung nicht vernachlässigbar ist, bildet der pMOS mit der Source einen offenen Stromkreis, wenn die Spannung nicht vernachlässigbar ist.

Beispiel für einen pMOS-Transistor

Wie Sie im Bild des oben gezeigten pMOS-Transistors sehen können, ist der einzige Unterschied zwischen einem pMOS-Transistor und einem nMOS-Transistor der kleine Kreis zwischen dem Gate und dem ersten Balken. Dieser Kreis invertiert den Wert der Spannung; Wenn das Gate also eine Spannung sendet, die einem Wert von 1 entspricht, ändert der Inverter die 1 in eine 0 und bewirkt, dass die Schaltung entsprechend funktioniert.

Da pMOS und nMOS auf entgegengesetzte Weise – auf komplementäre Weise – funktionieren, wenn wir beide zu einer riesigen MOS-Schaltung kombinieren, spricht man von einer cMOS-Schaltung, was für Complementary Metal-Oxide Semiconductor steht.

Verwendung der MOS-Schaltungen

Wir können pMOS- und nMOS-Schaltungen kombinieren, um komplexere Strukturen namens GATES zu bauen, genauer gesagt: logische Gatter. Das Konzept dieser logischen Funktionen und der dazugehörigen Wahrheitstabellen haben wir bereits im vorherigen Blog vorgestellt, den Sie durch Anklicken finden hier.

Wir können einen pMOS-Transistor anschließen, der mit der Source verbunden ist, und einen nMOS-Transistor, der mit Masse verbunden ist. Dies ist unser erstes Beispiel für einen cMOS-Transistor.

Beispiel für ein NICHT-Gatter

Dieser cMOS-Transistor wirkt ähnlich wie die logische NOT-Funktion.

Werfen wir einen Blick auf die NOT-Wahrheitstabelle:

NICHT Wahrheitstabelle

In der NOT-Wahrheitstabelle wird jeder Eingabewert: A invertiert. Was passiert mit der obigen Schaltung?

Stellen wir uns vor, die Eingabe ist eine 0.

Die 0 kommt herein und geht den Draht sowohl zum pMOS (oben) als auch zum nMOS (unten) nach oben und unten. Wenn der Wert 0 den pMOS erreicht, wird er in eine 1 invertiert; die Verbindung zur Quelle wird also geschlossen. Dies ergibt einen logischen Wert von 1, solange die Verbindung zur Erde (Drain) nicht ebenfalls geschlossen ist. Da die Transistoren komplementär sind, wissen wir, dass der nMOS-Transistor den Wert nicht invertiert; Daher nimmt es den Wert 0 unverändert an und erzeugt – daher – einen offenen Stromkreis zur Erde (Drain). Somit wird für das Gatter ein logischer Wert von 1 erzeugt.

Ein IN-Wert von 0 erzeugt einen OUT-Wert von 1

Was passiert, wenn eine 1 der IN-Wert ist? Nun, nach den gleichen Schritten wie oben wird der Wert 1 sowohl an den pMOS als auch an den nMOS gesendet. Wenn der Wert vom pMOS empfangen wird, wird der Wert auf 0 invertiert; somit ist die Verbindung zur SOURCE geöffnet. Wenn der Wert vom nMOS empfangen wird, wird der Wert nicht invertiert; somit bleibt der Wert eine 1. Wenn der nMOS einen Wert von 1 empfängt, wird die Verbindung geschlossen; Damit ist die Verbindung zum Boden geschlossen. Dies erzeugt einen logischen Wert von 0.

Ein IN-Wert von 1 erzeugt einen OUT-Wert von 0.

Die Kombination der beiden Eingabe-/Ausgabemengen ergibt:

Die Wahrheitstabelle für ein NICHT-Tor.

Es ist ziemlich leicht zu erkennen, dass diese Wahrheitstabelle genau die gleiche ist, die die logische Funktion NICHT erzeugt. Daher wird dies als NICHT-Gatter bezeichnet.

Können wir diese beiden einfachen Transistoren verwenden, um kompliziertere Strukturen herzustellen? Absolut! Als nächstes bauen wir ein NOR-Gatter und ein ODER-Gatter.

Ein Beispiel für ein NOR-Gatter

Diese Schaltung verwendet oben zwei pMOS-Transistoren und unten zwei nMOS-Transistoren. Schauen wir uns noch einmal den Eingang des Gates an, um zu sehen, wie es sich verhält.

Wenn A 0 ist und B 0 ist, invertiert dieses Gate beide Werte auf 1 wenn sie die pMOS-Transistoren erreichen; die nMOS-Transistoren behalten jedoch beide den Wert 0 bei. Dies führt dazu, dass das Gate einen Wert von 1 erzeugt.

Wenn A 0 und B 1 ist, invertiert dieses Gate beide Werte, wenn sie die pMOS-Transistoren erreichen; also ändert sich A zu 1 und B zu 0. Dies führt nicht zur Quelle; da beide Transistoren einen geschlossenen Stromkreis benötigen, um den Eingang mit der Quelle zu verbinden. Die nMOS-Transistoren invertieren die Werte nicht; so erzeugt der mit A verbundene nMOS eine 0, und der mit B verbundene nMOS erzeugt eine 1; somit erzeugt der mit B verbundene nMOS einen geschlossenen Stromkreis zur Masse. Dies führt dazu, dass das Gate einen Wert von 0 erzeugt.

Wenn A 1 ist und B 0 ist, invertiert dieses Gate beide Werte, wenn sie die pMOS-Transistoren erreichen; also ändert sich A zu 0 und B zu 1. Dies führt nicht zur Quelle; da beide Transistoren einen geschlossenen Stromkreis benötigen, um den Eingang mit der Quelle zu verbinden. Die nMOS-Transistoren invertieren die Werte nicht; so erzeugt der mit A verbundene nMOS eine 1 und der mit B verbundene nMOS erzeugt eine 0; somit erzeugt der mit A verbundene nMOS einen geschlossenen Stromkreis zur Masse. Dies führt dazu, dass das Gate einen Wert von 0 erzeugt.

Wenn A 1 und B 1 ist, invertiert dieses Gate beide Werte, wenn sie die pMOS-Transistoren erreichen; also ändert sich A zu 0 und B wird zu 0. Dies führt nicht zur Quelle; da beide Transistoren einen geschlossenen Stromkreis benötigen, um den Eingang mit der Quelle zu verbinden. Die nMOS-Transistoren invertieren die Werte nicht; so erzeugt der mit A verbundene nMOS eine 1 und der mit B verbundene nMOS erzeugt eine 1; somit erzeugen der mit A verbundene nMOS und der mit B verbundene nMOS einen geschlossenen Stromkreis zur Masse. Dies führt dazu, dass das Gate einen Wert von 0 erzeugt.

Somit lautet die Wahrheitstabelle des Gates wie folgt:

Der Ausgang des NOR-Gatters.

In der Zwischenzeit sieht die Wahrheitstabelle der logischen NOR-Funktion wie folgt aus:

Die Ausgabe der logischen NOR-Funktion.

Somit haben wir bestätigt, dass dieses Gatter ein NOR-Gatter ist, da es seine Wahrheitstabelle mit der logischen NOR-Funktion teilt.

Nun werden wir die beiden Gatter, die wir bisher erstellt haben, zu einem ODER-Gatter zusammenfügen. Denken Sie daran, NOR steht für NICHT ODER; Wenn wir also ein bereits invertiertes Gate invertieren, erhalten wir das Original zurück. Lassen Sie uns dies auf die Probe stellen, um es in Aktion zu sehen.

Beispiel für ein ODER-Gatter

Was wir hier gemacht haben, ist, dass wir das NOR-Gatter von zuvor genommen und ein NICHT-Gatter an den Ausgang angelegt haben. Wie wir oben gezeigt haben, nimmt das NOT-Gatter den Wert 1 an und gibt eine 0 aus, und das NOT-Gatter nimmt den Wert 0 an und gibt eine 1 aus.

Dies nimmt die Werte des NOR-Gatters und konvertiert alle 0s in 1s und 1s in 0s. Somit sieht die Wahrheitstabelle wie folgt aus:

Wahrheitstabelle eines NOR-Gatters und eines ODER-Gatters

Wenn Sie mehr Übung beim Testen dieser Gates haben möchten, können Sie die obigen Werte selbst ausprobieren und sehen, dass das Gate gleichwertige Ergebnisse liefert!

Beispiel für ein NAND-Gatter

Ich behaupte, dies ist ein NAND-Gatter, aber lassen Sie uns die Wahrheitstabelle dieses Gatters testen, um festzustellen, ob es wirklich ein NAND-Gatter ist.

Wenn A 0 ist und B 0 ist, erzeugt der pMOS von A eine 1 und der nMOS von A erzeugt eine 0; Somit erzeugt dieses Gatter eine logische 1, da es mit einem geschlossenen Stromkreis mit der Quelle verbunden und mit einem offenen Stromkreis von Masse getrennt ist.

Wenn A 0 ist und B 1 ist, erzeugt der pMOS von A eine 1 und der nMOS von A erzeugt eine 0; Somit erzeugt dieses Gatter eine logische 1, da es mit einem geschlossenen Stromkreis mit der Quelle verbunden und mit einem offenen Stromkreis von Masse getrennt ist.

Wenn A 1 ist und B 0 ist, erzeugt der pMOS von B eine 1 und der nMOS von B erzeugt eine 0; Somit erzeugt dieses Gatter eine logische 1, da es mit einem geschlossenen Stromkreis mit der Quelle verbunden und mit einem offenen Stromkreis von Masse getrennt ist.

Wenn A 1 ist und B 1 ist, erzeugt der pMOS von A eine 0 und der nMOS von A eine 1; Daher müssen wir auch den pMOS und nMOS von B überprüfen. Der pMOS von B erzeugt eine 0 und der nMOS von B erzeugt eine 1; Somit erzeugt dieses Gatter eine logische 0, da es bei einem offenen Stromkreis von der Quelle getrennt und bei einem geschlossenen Stromkreis mit Masse verbunden ist.

Die Wahrheitstabelle lautet wie folgt:

Die Wahrheitstabelle des obigen Tors.

In der Zwischenzeit sieht die Wahrheitstabelle der logischen NAND-Funktion wie folgt aus:

Somit haben wir verifiziert, dass es sich tatsächlich um ein NAND-Gatter handelt.

Wie bauen wir nun ein UND-Gatter? Nun, wir werden ein UND-Gatter genau so bauen, wie wir ein ODER-Gatter aus einem NOR-Gatter gebaut haben! Wir werden einen Wechselrichter anbringen!

Beispiel für ein UND-Gatter

Da wir lediglich eine NOT-Funktion auf den Ausgang eines NAND-Gatters angewendet haben, sieht die Wahrheitstabelle wie folgt aus:

Vollständige Wahrheitstabelle von UND und NAND

Bitte vergewissern Sie sich noch einmal, dass das, was ich Ihnen sage, die Wahrheit ist.

Heute haben wir behandelt, was pMOS- und nMOS-Transistoren sind und wie man sie zum Aufbau komplexerer Strukturen verwendet! Ich hoffe, Sie fanden diesen Blog informativ. Wenn Sie meine früheren Blogs lesen möchten, finden Sie die Liste unten.

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