PMOS- ja NMOS-transistorit

Mikroprosessorit on rakennettu transistoreista. Erityisesti ne on rakennettu MOS-transistoreista. MOS on lyhenne sanoista Metal-Oxide Semiconductor. MOS-transistoreja on kahta tyyppiä: pMOS (positiivinen MOS) ja nMOS (negatiivinen MOS). Jokainen pMOS ja nMOS on varustettu kolmella pääkomponentilla: portilla, lähteellä ja viemärillä.

Jotta ymmärrät oikein, kuinka pMOS ja nMOS toimivat, on tärkeää ensin määritellä joitain termejä:

suljettu piiri: Tämä tarkoittaa, että sähkö virtaa portista lähteeseen.

avoin piiri: Tämä tarkoittaa, että sähkö ei virtaa portista lähteeseen; vaan sähkö virtaa portista viemäriin.

Kun nMOS-transistori vastaanottaa merkityksettömän jännitteen, yhteys lähteestä viemäriin toimii johtona. Sähkö virtaa lähteestä viemäriin esteettömästi - tätä kutsutaan suljetuksi piiriksi. Toisaalta, kun nMOS-transistori vastaanottaa noin 0 voltin jännitteen, yhteys lähteestä viemäriin katkeaa ja tätä kutsutaan avoimeksi piiriksi.

Esimerkki nMOS-transistorista

P-tyypin transistori toimii täsmälleen n-tyypin transistoria vastaan. Kun nMOS muodostaa suljetun piirin lähteen kanssa, kun jännite ei ole merkityksetön, pMOS muodostaa avoimen piirin lähteen kanssa, kun jännite ei ole merkityksetön.

Esimerkki pMOS-transistorista

Kuten yllä esitetystä pMOS-transistorin kuvasta näkyy, ainoa ero pMOS-transistorin ja nMOS-transistorin välillä on pieni ympyrä portin ja ensimmäisen palkin välillä. Tämä ympyrä kääntää arvon jännitteestä; joten jos portti lähettää jännitteen, joka edustaa arvoa 1, invertteri muuttaa arvon 1 arvoksi 0 ja saa piirin toimimaan vastaavasti.

Koska pMOS ja nMOS toimivat päinvastaisella tavalla - toisiaan täydentävällä tavalla - kun yhdistämme ne molemmat yhdeksi jättimäiseksi MOS-piiriksi, sitä kutsutaan cMOS-piiriksi, joka tarkoittaa komplementaarista metallioksidipuolijohdetta.

Hyödyntämällä MOS-piirejä

Voimme yhdistää pMOS- ja nMOS-piirejä rakentaaksemme monimutkaisempia rakenteita nimeltä GATES, tarkemmin sanottuna: logiikkaportit. Olemme jo esitelleet näiden loogisten funktioiden käsitteen ja niihin liittyvät totuustaulukot edellisessä blogissa, jonka löydät napsauttamalla tätä.

Voimme liittää pMOS-transistorin, joka kytkeytyy lähteeseen, ja nMOS-transistorin, joka kytkeytyy maahan. Tämä on ensimmäinen esimerkkimme cMOS-transistorista.

Esimerkki EI-portista

Tämä cMOS-transistori toimii samalla tavalla kuin NOT looginen toiminto.

Katsotaanpa EI totuustaulukkoa:

EI totuustaulukko

NOT totuustaulukossa jokainen syötearvo: A käännetään. Mitä tapahtuu yllä olevalle piirille?

No, oletetaan, että syöte on 0.

0 tulee sisään ja kulkee sekä ylös että alas johtoa sekä pMOS:iin (ylhäällä) että nMOS:iin (alhaalla). Kun arvo 0 saavuttaa pMOS:n, se käännetään 1:ksi; joten yhteys lähteeseen on suljettu. Tämä tuottaa loogisen arvon 1 niin kauan kuin yhteys maahan (viemäröinti) ei ole myös suljettu. No, koska transistorit ovat toisiaan täydentäviä, tiedämme, että nMOS-transistori ei käännä arvoa; joten se ottaa arvon 0 sellaisenaan ja muodostaa siten avoimen piirin maahan (viemärin). Siten portille tuotetaan looginen arvo 1.

IN-arvo 0 tuottaa OUT-arvon 1

Mitä tapahtuu, jos 1 on IN-arvo? No, seuraamalla samoja vaiheita kuin yllä, arvo 1 lähetetään sekä pMOS:iin että nMOS:iin. Kun pMOS vastaanottaa arvon, arvo käännetään 0:ksi; näin ollen yhteys LÄHDEEN on auki. Kun nMOS vastaanottaa arvon, arvoa ei käännetä; siten arvo pysyy 1:nä. Kun nMOS vastaanottaa arvon 1, yhteys suljetaan; joten yhteys maahan on suljettu. Tämä tuottaa loogisen arvon 0.

IN-arvo 1 tuottaa OUT-arvon 0.

Kun nämä kaksi panos/tulostussarjaa yhdistetään, saadaan:

Totuustaulukko EI-portille.

On melko helppoa nähdä, että tämä totuustaulukko on täsmälleen sama kuin se, jonka looginen funktio EI tuota. Siksi tämä tunnetaan EI-porttina.

Voimmeko käyttää näitä kahta yksinkertaista transistoria monimutkaisempien rakenteiden tekemiseen? Ehdottomasti! Seuraavaksi rakennamme NOR-portin ja TAI-portin.

Esimerkki NOR-portista

Tämä piiri käyttää kahta pMOS-transistoria yläosassa ja kahta nMOS-transistoria alaosassa. Katsotaanpa jälleen portin tuloa nähdäksemme, kuinka se käyttäytyy.

Kun A on 0 ja B on 0, tämä portti kääntää molemmat arvot 1:ksi, kun ne saavuttavat pMOS-transistorit; kuitenkin nMOS-transistorit säilyttävät molemmat arvon 0. Tämä saa portin tuottamaan arvon 1.

Kun A on 0 ja B on 1, tämä portti kääntää molemmat arvot, kun ne saavuttavat pMOS-transistorit; niin A muuttuu 1:ksi ja B muuttuu 0:ksi. Tämä ei johda lähteeseen; koska molemmat transistorit vaativat suljetun piirin tulon kytkemiseksi lähteeseen. nMOS-transistorit eivät käännä arvoja; niin nMOS, joka liittyy A:han, tuottaa 0:n ja B:hen liittyvä nMOS tuottaa 1:n; siten B:hen liittyvä nMOS tuottaa suljetun piirin maahan. Tämä saa portin tuottamaan arvon 0.

Kun A on 1 ja B on 0, tämä portti kääntää molemmat arvot, kun ne saavuttavat pMOS-transistorit; niin A muuttuu 0:ksi ja B muuttuu 1:ksi. Tämä ei johda lähteeseen; koska molemmat transistorit vaativat suljetun piirin tulon kytkemiseksi lähteeseen. nMOS-transistorit eivät käännä arvoja; niin nMOS, joka liittyy A:han, tuottaa 1:n ja B:hen liittyvä nMOS tuottaa 0:n; näin ollen nMOS liittyy Awill tuottaa suljetun piirin maahan. Tämä saa portin tuottamaan arvon 0.

Kun A on 1 ja B on 1, tämä portti kääntää molemmat arvot, kun ne saavuttavat pMOS-transistorit; niin A muuttuu 0:ksi ja B muuttuu 0:ksi. Tämä ei johda lähteeseen; koska molemmat transistorit vaativat suljetun piirin tulon kytkemiseksi lähteeseen. nMOS-transistorit eivät käännä arvoja; niin nMOS, joka liittyy A:han, tuottaa 1:n ja B:hen liittyvä nMOS tuottaa 1:n; siten A:han liittyvä nMOS ja B:hen liittyvä nMOS tuottavat suljetun piirin maahan. Tämä saa portin tuottamaan arvon 0.

Siten portin totuustaulukko on seuraava:

NOR-portin lähtö.

Samaan aikaan loogisen NOR-funktion totuustaulukko on seuraava:

Loogisen NOR-funktion lähtö.

Näin ollen olemme vahvistaneet, että tämä portti on NOR-portti, koska se jakaa totuustaulukkonsa NOR-loogisen funktion kanssa.

Nyt laitamme molemmat tähän mennessä luomamme portit yhteen TAI-portin tuottamiseksi. Muista, NOR tarkoittaa EI TAI; joten jos käännämme jo käänteisen portin, saamme takaisin alkuperäisen. Testataan tämä nähdäksemme sen toiminnassa.

Esimerkki OR-portista

Olemme tehneet tässä, olemme ottaneet NOR-portin aiemmin ja soveltaneet NOT-porttia lähtöön. Kuten yllä olemme osoittaneet, EI-portti saa arvon 1 ja antaa arvon 0, ja NOT-portti ottaa arvon 0 ja tulostaa 1:n.

Tämä ottaa NOR-portin arvot ja muuntaa kaikki 0:t 1:iksi ja 1:t 0:iksi. Totuustaulukko on siis seuraava:

NOR-portin ja TAI-portin totuustaulukko

Jos haluat lisää harjoittelua näiden porttien testaamiseen, kokeile rohkeasti yllä olevia arvoja itse ja katso, että portti tuottaa vastaavia tuloksia!

Esimerkki NAND-portista

Väitän, että tämä on NAND-portti, mutta testataan tämän portin totuustaulukko määrittääksemme, onko se todella NAND-portti.

Kun A on 0 ja B on 0, A:n pMOS tuottaa arvon 1 ja A:n nMOS tuottaa 0:n; näin ollen tämä portti tuottaa loogisen 1:n, koska se on kytketty lähteeseen suljetulla piirillä ja irrotettu maasta avoimella piirillä.

Kun A on 0 ja B on 1, A:n pMOS tuottaa arvon 1 ja A:n nMOS tuottaa 0:n; näin ollen tämä portti tuottaa loogisen 1:n, koska se on kytketty lähteeseen suljetulla piirillä ja irrotettu maasta avoimella piirillä.

Kun A on 1 ja B on 0, B:n pMOS tuottaa arvon 1 ja B:n nMOS tuottaa 0:n; näin ollen tämä portti tuottaa loogisen 1:n, koska se on kytketty lähteeseen suljetulla piirillä ja irrotettu maasta avoimella piirillä.

Kun A on 1 ja B on 1, A:n pMOS tuottaa arvon 0 ja A:n nMOS tuottaa arvon 1; niin meidän on tarkistettava myös B:n pMOS ja nMOS. B:n pMOS tuottaa arvon 0, ja B:n nMOS tuottaa arvon 1; näin ollen tämä portti tuottaa loogisen nollan, koska se on irrotettu lähteestä avoimella piirillä ja kytketty maahan suljetulla piirillä.

Totuustaulukko on seuraava:

Yllä olevan portin totuustaulukko.

Samaan aikaan loogisen NAND-funktion totuustaulukko on seuraava:

Näin ollen olemme varmistaneet, että tämä on todellakin NAND-portti.

Miten nyt rakennetaan JA-portti? No, rakennamme JA-portin täsmälleen samalla tavalla kuin rakensimme TAI-portin NOR-portista! Kiinnitetään invertteri!

Esimerkki JA-portista

Koska olemme tehneet vain NOT-funktion NAND-portin lähtöön, totuustaulukko näyttää tältä:

Täydellinen AND- ja NAND-totuustaulukko

Varmista vielä kerran, että se, mitä kerron, on totta.

Tänään olemme käsitelleet mitä ovat pMOS- ja nMOS-transistorit sekä kuinka niitä käytetään monimutkaisempien rakenteiden rakentamiseen! Toivottavasti pidit tästä blogista informatiivisena. Jos haluat lukea aiempia blogejani, löydät listan alta.

Jätä viesti 

viestiluettelo