D5 · MOSFET

CMOS 인버터: 뒤집되 전력은 거의 쓰지 않는다

MOSFET이 세상을 바꾼 무대는 디지털이다. NMOS와 PMOS 한 쌍에 입력 전압을 직접 쓸어 보며, 출력이 깨끗이 뒤집히면서도 안정 상태에서는 전류가 거의 흐르지 않는 까닭을 본다.

입력을 쓸어 출력이 뒤집히는 것을 보라

곡선은 입력 전압 Vin에 대한 출력 전압 Vout, 곧 전달 특성이다. 입력을 0에서 Vdd로 쓸어 보라. 출력은 낮은 입력에서 높이 붙어 있다가 가운데서 가파르게 떨어진다. 옅은 봉우리는 전환 도중에만 잠깐 흐르는 관통 전류다.

입력 전압 VinVin = 0.90 V

전달 특성 위 작동점

Vin = 0.90 V   →   Vout = 0.90 V

입력이 가운데 근처다. NMOS와 PMOS가 둘 다 어중간하게 켜져 Vdd에서 접지로 관통 전류가 잠깐 흐른다. 출력도 어느 논리값도 아닌 중간이다.

전환 중 · 관통 전류

상보 한 쌍, 위는 PMOS 아래는 NMOS

CMOS 인버터는 두 종류의 MOSFET을 위아래로 짝짓는다. 위에는 PMOS가 소스를 전원 Vdd에, 아래에는 NMOS가 소스를 접지에 둔다. 두 게이트는 함께 입력에, 두 드레인은 함께 출력에 묶인다. 둘은 상보적이다. NMOS는 게이트가 높을 때 켜지고, PMOS는 게이트가 낮을 때 켜진다. 그래서 같은 입력을 받아도 둘은 늘 반대로 반응한다.

입력 0이면 출력 1, 입력 1이면 출력 0

입력이 낮을 때(0), NMOS는 게이트가 문턱에 못 미쳐 꺼지고 PMOS는 게이트가 Vdd보다 충분히 낮아 켜진다. 켜진 PMOS가 출력을 Vdd에 단단히 이어 출력은 높다(1). 입력이 높을 때(1)는 정반대로 NMOS만 켜져 출력을 접지에 이어 출력은 낮다(0). 어느 경우든 켜진 한쪽이 출력을 한 전원 레일에 힘껏 끌어다 붙인다. 그래서 출력은 입력의 깨끗한 반전이다.

정적 전력이 거의 0

여기에 CMOS의 마법이 있다. 어느 안정 상태에서든 두 트랜지스터 중 정확히 하나가 완전히 꺼져 있다. 그래서 Vdd에서 접지까지 곧장 흐르는 전류 경로가 아예 없다. 정적 전류가 없으니 가만히 있는 게이트는 전력을 거의 쓰지 않는다. 전류는 입력이 뒤바뀌는 짧은 전환 순간에만, 두 소자가 잠깐 함께 켜지며 흐르는 관통 전류와 부하를 충·방전하는 전류뿐이다. 그래서 동적 전력은 P ∝ C Vdd² f로 스위칭할 때만 든다. 정적 전력이 거의 0이라는 이 성질이, 한 칩에 수십억 게이트를 넣고도 녹지 않게 하는 디지털 집적의 토대다.

관찰Vin = 0 → Vout = Vdd

입력이 0이면 출력은 Vdd, 곧 논리 1이다.

고르기Vin = 0: ? on

입력이 0이면 PMOS가 켜져 출력을 Vdd로 당긴다.

빈칸Istatic ≈ ?

안정 상태에서는 한쪽이 꺼져 정적 전류가 거의 0이다.

스스로P ∝ C Vdd² ?

전력은 스위칭할 때만 들고, 주파수에 비례한다.

첫 화면으로 돌아가서

입력을 한쪽 끝에 두면 출력은 반대편 레일에 깨끗이 붙었고, 관통 전류 봉우리는 거의 0이었다. 입력을 가운데로 옮기자 출력이 가파르게 뒤집히며 그 봉우리가 잠깐 솟았다. 그 모양이 CMOS의 두 얼굴을 다 보여 준다. 상보 한 쌍이 입력을 깨끗이 반전하고, 안정 상태에서는 한쪽이 꺼져 Vdd에서 접지로 가는 길이 끊겨 정적 전력이 거의 0이라는 것. 전류는 오직 뒤집히는 순간에만 흐른다. 이 단순한 인버터가 모든 디지털 논리의 벽돌이고, 그 거의 0인 정적 전력이 손안의 칩에 수십억 게이트를 담을 수 있게 했다.

CMOS 인버터는 PMOS(위·Vdd로 당김)와 NMOS(아래·접지로 당김)를 게이트는 입력에, 드레인은 출력에 함께 묶은 상보 한 쌍이다. 입력이 0이면 PMOS만 켜져 출력이 Vdd(=1), 입력이 1이면 NMOS만 켜져 출력이 0이 된다(반전). 어느 안정 상태에서도 한쪽이 꺼져 Vdd-접지 관통 경로가 없으므로 정적 전력이 거의 0이다. 전류는 스위칭 순간에만 흘러, 동적 전력 P ∝ C Vdd² f. 이 거의 0인 정적 전력이 수십억 게이트의 디지털 집적을 가능케 했다.

이어지는 흐름

BJT와 MOSFET, 두 트랜지스터로 증폭과 논리를 모두 보았다. 다음 묶음에서는 이 소자들을 모아 만든 연산증폭기를 실제 한계와 함께 다룬다. 첫 유닛은 연산증폭기의 입에 해당하는 차동증폭단이다. 두 입력의 차만 골라 증폭하고 공통 잡음은 함께 눌러, 깨끗한 증폭의 출발점을 만든다.