Bóng bán dẫn PMOS và NMOS

Bộ vi xử lý được xây dựng bằng các bóng bán dẫn. Đặc biệt, chúng được cấu tạo từ các bóng bán dẫn MOS. MOS là từ viết tắt của Metal-Oxide Semiconductor. Có hai loại bóng bán dẫn MOS: pMOS (tích cực-MOS) và nMOS (âm-MOS). Mỗi pMOS và nMOS đều được trang bị ba thành phần chính: cổng, nguồn và cống.

Để hiểu đúng cách một pMOS và một nMOS hoạt động, điều quan trọng trước tiên là phải xác định một số thuật ngữ:

mạch kín: Có nghĩa là dòng điện chạy từ cổng vào nguồn.

hở mạch: Có nghĩa là dòng điện không chạy từ cổng vào nguồn; mà đúng hơn là dòng điện chạy từ cổng vào cống.

Khi một bóng bán dẫn nMOS nhận được một điện áp không đáng kể, kết nối từ nguồn đến cống đóng vai trò như một dây dẫn. Dòng điện sẽ đi từ nguồn đến cống thoát nước - điều này được gọi là mạch kín. Mặt khác, khi bóng bán dẫn nMOS nhận được điện áp khoảng 0 volt, kết nối từ nguồn đến cống sẽ bị đứt và đây được gọi là hở mạch.

Ví dụ về bóng bán dẫn nMOS

Bóng bán dẫn loại p hoạt động ngược lại chính xác với bóng bán dẫn loại n. Trong khi nMOS sẽ tạo thành mạch kín với nguồn khi điện áp không đáng kể, pMOS sẽ tạo thành mạch hở với nguồn khi điện áp không đáng kể.

Ví dụ về bóng bán dẫn pMOS

Như bạn có thể thấy trong hình ảnh của bóng bán dẫn pMOS được hiển thị ở trên, sự khác biệt duy nhất giữa bóng bán dẫn pMOS và bóng bán dẫn nMOS là vòng tròn nhỏ giữa cổng và thanh đầu tiên. Vòng tròn này đảo ngược giá trị từ điện áp; vì vậy, nếu cổng gửi đại diện điện áp có giá trị là 1, thì biến tần sẽ thay đổi giá trị 1 thành 0 và làm cho mạch hoạt động tương ứng.

Vì pMOS và nMOS hoạt động theo cách trái ngược nhau - theo cách bổ sung - khi chúng ta kết hợp cả hai thành một mạch MOS khổng lồ, nó được gọi là mạch cMOS, viết tắt của chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung.

Sử dụng mạch MOS

Chúng ta có thể kết hợp các mạch pMOS và nMOS để xây dựng các cấu trúc phức tạp hơn được gọi là GATES, cụ thể hơn là: cổng logic. Chúng tôi đã giới thiệu khái niệm về các hàm logic này và bảng chân trị liên quan của chúng trong blog trước, bạn có thể tìm thấy khái niệm này bằng cách nhấp vào tại đây.

Chúng ta có thể gắn một bóng bán dẫn pMOS kết nối với nguồn và một bóng bán dẫn nMOS kết nối với đất. Đây sẽ là ví dụ đầu tiên của chúng tôi về bóng bán dẫn cMOS.

Ví dụ về cổng NOT

Bóng bán dẫn cMOS này hoạt động theo cách tương tự như chức năng logic NOT.

Hãy cùng xem bảng sự thật KHÔNG:

KHÔNG phải bảng sự thật

Trong bảng sự thật NOT, mọi giá trị đầu vào: A đều được đảo ngược. Hiện tượng gì xảy ra với đoạn mạch trên?

Vâng, hãy tưởng tượng đầu vào là 0.

Số 0 đi vào và đi cả lên và xuống dây cho cả pMOS (trên cùng) và nMOS (dưới). Khi giá trị 0 đạt đến pMOS, nó sẽ được đảo ngược thành 1; vì vậy, kết nối với nguồn bị đóng. Điều này sẽ tạo ra giá trị logic là 1 miễn là kết nối với mặt đất (cống) cũng không được đóng. Vâng, vì các bóng bán dẫn là bổ sung, chúng ta biết rằng bóng bán dẫn nMOS sẽ không đảo ngược giá trị; vì vậy, nó nhận giá trị 0 như hiện tại và - do đó - sẽ tạo ra một mạch hở với mặt đất (cống). Do đó, giá trị logic 1 được tạo ra cho cổng.

Giá trị IN bằng 0 tạo ra giá trị OUT là 1

Điều gì xảy ra nếu 1 là giá trị IN? Thực hiện theo các bước tương tự như trên, giá trị 1 được gửi đến cả pMOS và nMOS. Khi pMOS nhận giá trị, giá trị sẽ được đảo ngược thành 0; do đó, kết nối với NGUỒN được mở. Khi nMOS nhận giá trị, giá trị không bị đảo ngược; do đó, giá trị vẫn là 1. Khi giá trị 1 được nhận bởi nMOS, kết nối bị đóng; vì vậy, kết nối với mặt đất được đóng lại. Điều này sẽ tạo ra một giá trị logic là 0.

Giá trị IN bằng 1 tạo ra giá trị OUT là 0.

Kết hợp hai tập hợp đầu vào / đầu ra với nhau tạo ra:

Bảng Chân lý cho cổng NOT.

Khá dễ dàng để thấy rằng bảng sự thật này giống hệt như bảng mà hàm logic NOT tạo ra. Do đó, đây được gọi là cổng KHÔNG.

Chúng ta có thể sử dụng hai bóng bán dẫn đơn giản này để tạo ra các cấu trúc phức tạp hơn không? Chắc chắn rồi! Tiếp theo, chúng ta sẽ xây dựng một cổng NOR và một cổng OR.

Ví dụ về cổng NOR

Mạch này sử dụng hai bóng bán dẫn pMOS ở trên cùng và hai bóng bán dẫn nMOS ở dưới cùng. Một lần nữa, chúng ta hãy nhìn vào đầu vào của cổng để xem nó hoạt động như thế nào.

Khi A là 0 và B là 0, cổng này sẽ đảo ngược cả hai giá trị thành 1 khi chúng đến các bóng bán dẫn pMOS; tuy nhiên, các bóng bán dẫn nMOS đều sẽ duy trì giá trị bằng 0. Điều này sẽ dẫn đến cổng tạo ra giá trị 1.

Khi A là 0 và B là 1, cổng này sẽ đảo ngược cả hai giá trị khi chúng đến các bóng bán dẫn pMOS; vì vậy, A sẽ thay đổi thành 1 và B sẽ thay đổi thành 0. Điều này sẽ không dẫn đến nguồn; vì cả hai bóng bán dẫn đều yêu cầu một mạch kín để kết nối đầu vào với nguồn. Các bóng bán dẫn nMOS không đảo ngược các giá trị; do đó, nMOS liên kết với A sẽ tạo ra 0 và nMOS liên kết với B sẽ tạo ra 1; do đó, nMOS kết hợp với B sẽ tạo ra một mạch kín với mặt đất. Điều này sẽ dẫn đến cổng tạo ra giá trị 0.

Khi A là 1 và B là 0, cổng này sẽ đảo ngược cả hai giá trị khi chúng đến các bóng bán dẫn pMOS; vì vậy, A sẽ thay đổi thành 0 và B sẽ thay đổi thành 1. Điều này sẽ không dẫn đến nguồn; vì cả hai bóng bán dẫn đều yêu cầu một mạch kín để kết nối đầu vào với nguồn. Các bóng bán dẫn nMOS không đảo ngược các giá trị; do đó, nMOS liên kết với A sẽ tạo ra 1, và nMOS liên kết với B sẽ tạo ra 0; do đó, nMOS kết hợp với Awill tạo ra một mạch kín với mặt đất. Điều này sẽ dẫn đến cổng tạo ra giá trị 0.

Khi A là 1 và B là 1, cổng này sẽ đảo ngược cả hai giá trị khi chúng đến các bóng bán dẫn pMOS; vì vậy, A sẽ thay đổi thành 0 và B sẽ thay đổi thành 0. Điều này sẽ không dẫn đến nguồn; vì cả hai bóng bán dẫn đều yêu cầu một mạch kín để kết nối đầu vào với nguồn. Các bóng bán dẫn nMOS không đảo ngược các giá trị; do đó, nMOS liên kết với A sẽ tạo ra 1, và nMOS liên kết với B sẽ tạo ra 1; do đó, nMOS liên kết với A và nMOS liên kết với B sẽ tạo ra một mạch kín với mặt đất. Điều này sẽ dẫn đến cổng tạo ra giá trị 0.

Do đó, bảng chân lý của cổng như sau:

Đầu ra của cổng NOR.

Trong khi đó, bảng chân lý của hàm logic NOR như sau:

Đầu ra của Hàm logic NOR.

Vì vậy, chúng tôi đã xác nhận rằng cổng này là cổng NOR vì nó chia sẻ bảng chân lý của nó với hàm logic NOR.

Bây giờ, chúng ta sẽ đặt cả hai cổng mà chúng ta đã tạo cho đến nay lại với nhau để tạo ra một cổng OR. Hãy nhớ rằng, NOR là viết tắt của NOT OR; vì vậy, nếu chúng ta đảo ngược một cổng đã được đảo ngược, chúng ta sẽ lấy lại bản gốc. Hãy đưa điều này vào thử nghiệm để xem nó hoạt động.

Ví dụ về cổng OR

Những gì chúng tôi đã làm ở đây là chúng tôi đã sử dụng cổng NOR từ trước đó và áp dụng cổng NOT cho đầu ra. Như chúng ta đã trình bày ở trên, cổng NOT sẽ nhận giá trị 1 và xuất ra 0, và cổng NOT sẽ nhận giá trị 0 và xuất ra 1.

Thao tác này sẽ nhận các giá trị của cổng NOR và chuyển đổi tất cả các giá trị 0 thành 1 và 1 thành 0. Do đó, bảng sự thật sẽ như sau:

Bảng sự thật của cổng NOR và cổng OR

Nếu bạn muốn thực hành nhiều hơn để kiểm tra các cổng này, hãy tự mình thử các giá trị trên và thấy rằng cổng cho kết quả tương đương!

Ví dụ về cổng NAND

Tôi khẳng định đây là cổng NAND, nhưng hãy kiểm tra bảng sự thật của cổng này để xác định xem nó có thực sự là cổng NAND hay không.

Khi A là 0 và B là 0, pMOS của A sẽ tạo ra 1, và nMOS của A sẽ tạo ra 0; do đó, cổng này sẽ tạo ra logic 1 vì nó được kết nối với nguồn bằng mạch kín và ngắt kết nối với đất bằng mạch hở.

Khi A là 0 và B là 1, pMOS của A sẽ tạo ra 1, và nMOS của A sẽ tạo ra 0; do đó, cổng này sẽ tạo ra logic 1 vì nó được kết nối với nguồn bằng mạch kín và ngắt kết nối với đất bằng mạch hở.

Khi A là 1 và B là 0, pMOS của B sẽ tạo ra 1, và nMOS của B sẽ tạo ra 0; do đó, cổng này sẽ tạo ra logic 1 vì nó được kết nối với nguồn bằng mạch kín và ngắt kết nối với đất bằng mạch hở.

Khi A là 1 và B là 1, pMOS của A sẽ tạo ra 0, và nMOS của A sẽ tạo ra 1; vì vậy, chúng ta cũng phải kiểm tra pMOS và nMOS của B. PMOS của B sẽ tạo ra 0, và nMOS của B sẽ tạo ra 1; do đó, cổng này sẽ tạo ra một 0 logic vì nó được ngắt kết nối khỏi nguồn bằng một mạch hở và được nối với đất bằng một mạch kín.

Bảng sự thật như sau:

Bảng sự thật của cổng trên.

Trong khi đó, bảng chân lý của hàm logic NAND như sau:

Do đó, chúng tôi đã xác minh rằng đây thực sự là một cổng NAND.

Bây giờ, chúng ta xây dựng cổng AND như thế nào? Chà, chúng ta sẽ xây dựng cổng AND giống hệt như cách chúng ta đã xây dựng cổng OR từ cổng NOR! Chúng tôi sẽ đính kèm một biến tần!

Ví dụ về cổng AND

Vì tất cả những gì chúng ta đã làm là áp dụng hàm NOT cho đầu ra của cổng NAND, nên bảng sự thật sẽ trông như thế này:

Bảng sự thật hoàn chỉnh của AND và NAND

Một lần nữa, vui lòng xác minh để đảm bảo rằng những gì tôi đang nói với bạn là sự thật.

Hôm nay, chúng ta đã trình bày về transistor pMOS và nMOS là gì cũng như cách sử dụng chúng để xây dựng các cấu trúc phức tạp hơn! Tôi hy vọng bạn tìm thấy blog này nhiều thông tin. Nếu bạn muốn đọc các blog trước đây của tôi, bạn sẽ tìm thấy danh sách bên dưới.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn