D5 · MOSFET

El inversor CMOS: invierte y casi no gasta energía

El escenario donde el MOSFET cambió el mundo es el digital. Barre tú mismo el voltaje de entrada sobre un par NMOS-PMOS y observa por qué la salida se invierte limpiamente mientras, en estado estable, casi ninguna corriente fluye.

Barre la entrada y mira la salida invertirse

La curva es el voltaje de salida Vout frente al de entrada Vin, la característica de transferencia. Barre la entrada de 0 a Vdd. La salida se mantiene alta con entrada baja, luego cae con fuerza en el medio. La joroba tenue es la corriente de paso que fluye solo brevemente durante la transición.

Voltaje de entrada VinVin = 0.90 V

Punto de operación en la curva de transferencia

Vin = 0.90 V   →   Vout = 0.90 V

La entrada está cerca del medio. NMOS y PMOS están parcialmente activos, así que una corriente de paso fluye brevemente de Vdd a tierra. La salida también está a medias, ni un valor lógico ni el otro.

Conmutando · corriente de paso

Un par complementario, PMOS arriba, NMOS abajo

Un inversor CMOS empareja dos clases de MOSFET, uno sobre otro. Arriba, un PMOS tiene su fuente en la alimentación Vdd; abajo, un NMOS tiene su fuente en tierra. Ambas compuertas se unen a la entrada, ambos drenadores a la salida. Los dos son complementarios: el NMOS conduce cuando su compuerta está alta, el PMOS cuando está baja. Así, aunque reciben la misma entrada, los dos responden siempre al revés.

Entrada 0 da salida 1, entrada 1 da salida 0

Cuando la entrada es baja (0), el NMOS está apagado porque su compuerta está bajo el umbral, y el PMOS encendido porque su compuerta está muy por debajo de Vdd. El PMOS encendido ata la salida firmemente a Vdd, así que la salida es alta (1). Cuando la entrada es alta (1), lo contrario: solo el NMOS conduce, atando la salida a tierra, así que la salida es baja (0). En cualquier caso, el que está encendido tira de la salida con fuerza hacia un riel de alimentación. Por eso la salida es una inversión limpia de la entrada.

Potencia estática casi cero

Aquí está la magia del CMOS. En cualquier estado estable, exactamente uno de los dos transistores está totalmente apagado. Así que simplemente no hay un camino de corriente que vaya recto de Vdd a tierra. Sin corriente estática, una compuerta inactiva casi no gasta potencia. La corriente fluye solo durante el breve momento de conmutación cuando la entrada cambia, como una corriente de paso mientras ambos dispositivos están un instante encendidos, y para cargar y descargar la carga. Así, la potencia dinámica, P ∝ C Vdd² f, se gasta solo al conmutar. Esta propiedad, que la potencia estática es casi cero, es la base de la integración digital, que permite a un solo chip albergar miles de millones de compuertas sin derretirse.

ObservaVin = 0 → Vout = Vdd

Entrada 0 da salida Vdd, es decir, lógica 1.

EligeVin = 0: ? on

Con entrada 0, el PMOS conduce y tira de la salida hacia Vdd.

CompletaIstatic ≈ ?

En estado estable un lado está apagado, así que la corriente estática es casi cero.

Por tu cuentaP ∝ C Vdd² ?

La potencia se gasta solo al conmutar, y escala con la frecuencia.

De vuelta a la primera pantalla

Con la entrada en un extremo, la salida se pegó limpiamente al riel opuesto y la joroba de corriente de paso era casi cero. Al mover la entrada al medio, la salida se invirtió con fuerza y esa joroba subió un instante. Esa forma muestra las dos caras del CMOS: el par complementario invierte la entrada limpiamente, y en estado estable un lado está apagado, cortando el camino de Vdd a tierra, así que la potencia estática es casi cero. La corriente fluye solo en el instante del cambio. Este sencillo inversor es el ladrillo de toda la lógica digital, y su potencia estática casi nula es lo que permite al chip en tu mano albergar miles de millones de compuertas.

Un inversor CMOS es un par complementario de un PMOS (arriba, tirando a Vdd) y un NMOS (abajo, tirando a tierra), con las compuertas a la entrada y los drenadores a la salida. Con entrada 0 solo el PMOS conduce y la salida es Vdd (=1); con entrada 1 solo el NMOS conduce y la salida es 0 (inversión). En cualquier estado estable un lado está apagado, así que no hay camino de Vdd a tierra y la potencia estática es casi cero. La corriente fluye solo al conmutar, dando la potencia dinámica P ∝ C Vdd² f. Esta potencia estática casi nula es lo que hizo posible la integración digital de miles de millones de compuertas.

Lo que sigue

Con el BJT y el MOSFET, dos transistores, has visto tanto amplificación como lógica. El siguiente grupo trata el amplificador operacional construido con estos dispositivos, junto con sus límites reales. Su primera unidad es el par diferencial, la boca del amplificador operacional. Amplifica solo la diferencia de dos entradas mientras presiona junto el ruido común, creando el punto de partida de una amplificación limpia.