Τρανζίστορ PMOS και NMOS

Οι μικροεπεξεργαστές είναι κατασκευασμένοι από τρανζίστορ. Συγκεκριμένα, είναι κατασκευασμένα από τρανζίστορ MOS. Το MOS είναι ένα αρκτικόλεξο του Metal-Oxide Semiconductor. Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ MOS: pMOS (θετικό-MOS) και nMOS (αρνητικό-MOS). Κάθε pMOS και nMOS είναι εξοπλισμένο με τρία κύρια εξαρτήματα: την πύλη, την πηγή και την αποστράγγιση.

Για να κατανοήσετε σωστά πώς λειτουργούν ένα pMOS και ένα nMOS, είναι σημαντικό να ορίσετε πρώτα ορισμένους όρους:

κλειστό κύκλωμα: Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από την πύλη προς την πηγή.

ανοιχτό κύκλωμα: Αυτό σημαίνει ότι η ηλεκτρική ενέργεια δεν ρέει από την πύλη προς την πηγή. αλλά μάλλον, η ηλεκτρική ενέργεια ρέει από την πύλη προς την αποχέτευση.

Όταν ένα τρανζίστορ nMOS δέχεται μια μη αμελητέα τάση, η σύνδεση από την πηγή στην αποστράγγιση λειτουργεί ως καλώδιο. Η ηλεκτρική ενέργεια θα ρέει από την πηγή στην αποχέτευση ανεμπόδιστη - αυτό αναφέρεται ως κλειστό κύκλωμα. Από την άλλη πλευρά, όταν ένα τρανζίστορ nMOS δέχεται τάση περίπου 0 βολτ, η σύνδεση από την πηγή στην αποστράγγιση θα σπάσει και αυτό αναφέρεται ως ανοιχτό κύκλωμα.

Παράδειγμα τρανζίστορ nMOS

Το τρανζίστορ τύπου p λειτουργεί ακριβώς αντίθετα με το τρανζίστορ τύπου n. Ενώ το nMOS θα σχηματίσει ένα κλειστό κύκλωμα με την πηγή όταν η τάση είναι μη αμελητέα, το pMOS θα σχηματίσει ένα ανοιχτό κύκλωμα με την πηγή όταν η τάση είναι μη αμελητέα.

Παράδειγμα τρανζίστορ pMOS

Όπως μπορείτε να δείτε στην εικόνα του τρανζίστορ pMOS που φαίνεται παραπάνω, η μόνη διαφορά μεταξύ ενός τρανζίστορ pMOS και ενός τρανζίστορ nMOS είναι ο μικρός κύκλος μεταξύ της πύλης και της πρώτης ράβδου. Αυτός ο κύκλος αντιστρέφει την τιμή από την τάση. Έτσι, εάν η πύλη στείλει μια τάση αντιπροσωπευτική τιμής 1, τότε ο μετατροπέας θα αλλάξει το 1 σε ένα 0 και θα κάνει το κύκλωμα να λειτουργήσει ανάλογα.

Δεδομένου ότι τα pMOS και nMOS λειτουργούν με αντίθετο τρόπο - με συμπληρωματικό τρόπο - όταν συνδυάζουμε και τα δύο σε ένα γιγάντιο κύκλωμα MOS, ονομάζεται κύκλωμα cMOS, το οποίο σημαίνει συμπληρωματικός ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου.

Χρησιμοποιώντας τα κυκλώματα MOS

Μπορούμε να συνδυάσουμε κυκλώματα pMOS και nMOS για να δημιουργήσουμε πιο σύνθετες δομές που ονομάζονται GATES, πιο συγκεκριμένα: λογικές πύλες. Έχουμε ήδη εισαγάγει την έννοια αυτών των λογικών συναρτήσεων και τους σχετικούς πίνακες αλήθειας στο προηγούμενο ιστολόγιο, τους οποίους μπορείτε να βρείτε κάνοντας κλικ εδώ.

Μπορούμε να συνδέσουμε ένα τρανζίστορ pMOS που συνδέεται με την πηγή και ένα τρανζίστορ nMOS που συνδέεται στη γείωση. Αυτό θα είναι το πρώτο μας παράδειγμα τρανζίστορ cMOS.

Παράδειγμα πύλης NOT

Αυτό το τρανζίστορ cMOS δρα με τρόπο παρόμοιο με τη λογική συνάρτηση NOT.

Ας ρίξουμε μια ματιά στον πίνακα ΟΧΙ αλήθειας:

ΟΧΙ πίνακας αλήθειας

Στον πίνακα ΟΧΙ αλήθειας, κάθε τιμή εισόδου: A είναι ανεστραμμένη. Τι συμβαίνει με το παραπάνω κύκλωμα;

Λοιπόν, ας φανταστούμε ότι η είσοδος είναι 0.

Το 0 μπαίνει και πηγαίνει πάνω και κάτω στο καλώδιο τόσο στο pMOS (πάνω) όσο και στο nMOS (κάτω). Όταν η τιμή 0 φτάσει στο pMOS, αντιστρέφεται σε 1. Έτσι, η σύνδεση με την πηγή είναι κλειστή. Αυτό θα παράγει μια λογική τιμή 1, εφόσον η σύνδεση με το έδαφος (αποχέτευση) δεν είναι επίσης κλειστή. Λοιπόν, δεδομένου ότι τα τρανζίστορ είναι συμπληρωματικά, γνωρίζουμε ότι το τρανζίστορ nMOS δεν θα αντιστρέψει την τιμή. Έτσι, παίρνει την τιμή 0 ως έχει και θα δημιουργήσει — επομένως — ένα ανοιχτό κύκλωμα προς το έδαφος (αποχέτευση). Έτσι, παράγεται μια λογική τιμή 1 για την πύλη.

Μια τιμή IN 0 παράγει τιμή OUT 1

Τι συμβαίνει εάν το 1 είναι η τιμή IN; Λοιπόν, ακολουθώντας τα ίδια βήματα όπως παραπάνω, η τιμή 1 αποστέλλεται τόσο στο pMOS όσο και στο nMOS. Όταν η τιμή λαμβάνεται από το pMOS, η τιμή αντιστρέφεται σε 0. Έτσι, η σύνδεση με την ΠΗΓΗ είναι ανοιχτή. Όταν η τιμή λαμβάνεται από το nMOS, η τιμή δεν αντιστρέφεται. Έτσι, η τιμή παραμένει 1. Όταν λαμβάνεται μια τιμή 1 από το nMOS, η σύνδεση κλείνει. Έτσι, η σύνδεση με το έδαφος είναι κλειστή. Αυτό θα παράγει μια λογική τιμή 0.

Μια τιμή IN 1 παράγει τιμή OUT 0.

Συνδυάζοντας τα δύο σύνολα εισόδου/εξόδου μαζί προκύπτει:

Ο Πίνακας Αλήθειας για μια πύλη ΟΧΙ.

Είναι πολύ εύκολο να δούμε ότι αυτός ο πίνακας αλήθειας είναι ακριβώς ο ίδιος με αυτόν που ΔΕΝ παράγει η λογική συνάρτηση. Έτσι, αυτό είναι γνωστό ως πύλη NOT.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα δύο απλά τρανζίστορ για να φτιάξουμε πιο περίπλοκες δομές; Απολύτως! Στη συνέχεια, θα φτιάξουμε μια πύλη NOR και μια πύλη OR.

Ένα παράδειγμα πύλης NOR

Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιεί δύο τρανζίστορ pMOS στην κορυφή και δύο τρανζίστορ nMOS στο κάτω μέρος. Και πάλι, ας δούμε την είσοδο στην πύλη για να δούμε πώς συμπεριφέρεται.

Όταν το Α είναι 0 και το Β είναι 0, αυτή η πύλη θα αντιστρέψει και τις δύο τιμές σε 1 όταν φτάσουν στα τρανζίστορ pMOS. Ωστόσο, τα τρανζίστορ nMOS θα διατηρήσουν και τα δύο την τιμή 0. Αυτό θα οδηγήσει την πύλη να παράγει μια τιμή 1.

Όταν το Α είναι 0 και το Β είναι 1, αυτή η πύλη θα αντιστρέψει και τις δύο τιμές όταν φτάσουν στα τρανζίστορ pMOS. Έτσι, το Α θα αλλάξει σε 1 και το Β θα αλλάξει σε 0. Αυτό δεν θα οδηγήσει στην πηγή. αφού και τα δύο τρανζίστορ απαιτούν κλειστό κύκλωμα για να συνδέσουν την είσοδο στην πηγή. Τα τρανζίστορ nMOS δεν αντιστρέφουν τις τιμές. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το Α θα παράγει ένα 0 και το nMOS που σχετίζεται με το Β θα παράγει ένα 1. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το B θα παράγει ένα κλειστό κύκλωμα προς το έδαφος. Αυτό θα οδηγήσει την πύλη να παράγει μια τιμή 0.

Όταν το Α είναι 1 και το Β είναι 0, αυτή η πύλη θα αντιστρέψει και τις δύο τιμές όταν φτάσουν στα τρανζίστορ pMOS. Έτσι, το Α θα αλλάξει σε 0 και το Β θα αλλάξει σε 1. Αυτό δεν θα οδηγήσει στην πηγή. αφού και τα δύο τρανζίστορ απαιτούν κλειστό κύκλωμα για να συνδέσουν την είσοδο στην πηγή. Τα τρανζίστορ nMOS δεν αντιστρέφουν τις τιμές. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το Α θα παράγει ένα 1 και το nMOS που σχετίζεται με το Β θα παράγει ένα 0. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το Awill παράγει ένα κλειστό κύκλωμα στο έδαφος. Αυτό θα οδηγήσει την πύλη να παράγει μια τιμή 0.

Όταν το Α είναι 1 και το Β είναι 1, αυτή η πύλη θα αντιστρέψει και τις δύο τιμές όταν φτάσουν στα τρανζίστορ pMOS. Έτσι, το Α θα αλλάξει σε 0 και το Β θα αλλάξει σε 0. Αυτό δεν θα οδηγήσει στην πηγή. αφού και τα δύο τρανζίστορ απαιτούν κλειστό κύκλωμα για να συνδέσουν την είσοδο στην πηγή. Τα τρανζίστορ nMOS δεν αντιστρέφουν τις τιμές. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το Α θα παράγει ένα 1 και το nMOS που σχετίζεται με το Β θα παράγει ένα 1. Έτσι, το nMOS που σχετίζεται με το Α και το nMOS που σχετίζεται με το Β θα παράγουν ένα κλειστό κύκλωμα προς τη γείωση. Αυτό θα οδηγήσει την πύλη να παράγει μια τιμή 0.

Έτσι, ο πίνακας αλήθειας της πύλης έχει ως εξής:

Η έξοδος της πύλης NOR.

Εν τω μεταξύ, ο πίνακας αλήθειας της λογικής συνάρτησης NOR έχει ως εξής:

Η έξοδος της λογικής συνάρτησης NOR.

Έτσι, επιβεβαιώσαμε ότι αυτή η πύλη είναι μια πύλη NOR επειδή μοιράζεται τον πίνακα αληθείας της με τη λογική συνάρτηση NOR.

Τώρα, θα βάλουμε και τις δύο πύλες, που έχουμε δημιουργήσει μέχρι τώρα, μαζί για να δημιουργήσουμε μια πύλη OR. Θυμηθείτε, το NOR σημαίνει NOT OR. Έτσι, αν αντιστρέψουμε μια ήδη ανεστραμμένη πύλη, θα πάρουμε πίσω το πρωτότυπο. Ας το δοκιμάσουμε για να το δούμε στην πράξη.

Παράδειγμα πύλης OR

Αυτό που κάναμε εδώ είναι ότι πήραμε την πύλη NOR από πριν και εφαρμόσαμε μια πύλη NOT στην έξοδο. Όπως δείξαμε παραπάνω, η πύλη NOT θα πάρει μια τιμή 1 και θα δώσει ένα 0, και η πύλη NOT θα λάβει μια τιμή 0 και θα δώσει ένα 1.

Αυτό θα λάβει τις τιμές της πύλης NOR και θα μετατρέψει όλα τα 0 σε 1 και τα 1 σε 0. Έτσι, ο πίνακας αλήθειας θα είναι ο εξής:

Πίνακας Αλήθειας μιας πύλης NOR και μιας πύλης OR

Εάν θέλετε περισσότερη εξάσκηση στη δοκιμή αυτών των πυλών, μη διστάσετε να δοκιμάσετε μόνοι σας τις παραπάνω τιμές και να δείτε ότι η πύλη παράγει ισοδύναμα αποτελέσματα!

Παράδειγμα πύλης NAND

Υποστηρίζω ότι αυτή είναι μια πύλη NAND, αλλά ας δοκιμάσουμε τον πίνακα αλήθειας αυτής της πύλης για να προσδιορίσουμε εάν είναι πραγματικά μια πύλη NAND.

Όταν το Α είναι 0 και το Β είναι 0, το pMOS του Α θα παράγει 1 και το nMOS του Α θα παράγει 0. Έτσι, αυτή η πύλη θα παράγει ένα λογικό 1 αφού συνδέεται με την πηγή με κλειστό κύκλωμα και αποσυνδέεται από το έδαφος με ανοιχτό κύκλωμα.

Όταν το Α είναι 0 και το Β είναι 1, το pMOS του Α θα παράγει 1 και το nMOS του Α θα παράγει 0. Έτσι, αυτή η πύλη θα παράγει ένα λογικό 1 αφού συνδέεται με την πηγή με κλειστό κύκλωμα και αποσυνδέεται από το έδαφος με ανοιχτό κύκλωμα.

Όταν το Α είναι 1 και το Β είναι 0, το pMOS του Β θα παράγει 1 και το nMOS του Β θα παράγει 0. Έτσι, αυτή η πύλη θα παράγει ένα λογικό 1 αφού συνδέεται με την πηγή με κλειστό κύκλωμα και αποσυνδέεται από το έδαφος με ανοιχτό κύκλωμα.

Όταν το Α είναι 1 και το Β είναι 1, το pMOS του Α θα παράγει 0 και το nMOS του Α θα παράγει 1. Επομένως, πρέπει να ελέγξουμε και τα pMOS και nMOS του B. Το pMOS του Β θα παράγει 0 και το nMOS του Β θα παράγει 1. Έτσι, αυτή η πύλη θα παράγει ένα λογικό 0 αφού αποσυνδέεται από την πηγή με ανοιχτό κύκλωμα και συνδέεται με τη γείωση με ένα κλειστό κύκλωμα.

Ο πίνακας αλήθειας έχει ως εξής:

Ο πίνακας αλήθειας της παραπάνω πύλης.

Εν τω μεταξύ, ο πίνακας αλήθειας της λογικής συνάρτησης NAND έχει ως εξής:

Έτσι, επαληθεύσαμε ότι αυτή είναι, πράγματι, μια πύλη NAND.

Τώρα, πώς χτίζουμε μια πύλη ΚΑΙ; Λοιπόν, θα φτιάξουμε μια πύλη ΚΑΙ με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που κατασκευάσαμε μια πύλη OR από μια πύλη NOR! Θα συνδέσουμε έναν μετατροπέα!

Παράδειγμα πύλης ΚΑΙ

Δεδομένου ότι το μόνο που έχουμε κάνει είναι η εφαρμογή μιας συνάρτησης NOT στην έξοδο μιας πύλης NAND, ο πίνακας αλήθειας θα μοιάζει με αυτό:

Πλήρης Πίνακας Αλήθειας των AND και NAND

Και πάλι, επιβεβαιώστε για να βεβαιωθείτε ότι αυτό που σας λέω είναι η αλήθεια.

Σήμερα, καλύψαμε τι είναι τα τρανζίστορ pMOS και nMOS καθώς και πώς να τα χρησιμοποιήσουμε για την κατασκευή πιο περίπλοκων δομών! Ελπίζω να βρήκατε αυτό το blog κατατοπιστικό. Αν θέλετε να διαβάσετε τα προηγούμενα ιστολόγιά μου, θα βρείτε την παρακάτω λίστα.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων