อินเวอร์เตอร์ CMOS มีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านอิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้ในชิปหน่วยความจำและไมโครโปรเซสเซอร์ เป็นต้น มันสร้างเอาต์พุตเสริมเมื่อมีสัญญาณอินพุตผ่านเข้ามา อินเวอร์เตอร์เหล่านี้ให้ความยืดหยุ่นแก่นักออกแบบวงจร เนื่องจากสามารถจำแนกออกเป็นหลายประเภทขึ้นอยู่กับความสามารถและการจัดเรียงของมัน

ในการทำงาน ทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS ควรหักล้างกัน โดยสามารถตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าด้วยการสั่นระหว่างโหมดนำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า พื้นผิวซิลิคอนเป็นตัวรองรับชั้นโลหะเชื่อมต่อ ทรานซิสเตอร์ และตัวต้านทานในส่วนประกอบอินเวอร์เตอร์ CMOS

บทความนี้จะกล่าวถึงอินเวอร์เตอร์ CMOS ว่าคืออะไร เราจะครอบคลุมถึงการจำแนกประเภท หลักการทำงาน ส่วนประกอบ โครงสร้าง และคำศัพท์ต่างๆ นอกจากนี้ยังรวมถึงข้อดีและข้อเสียของคำถามที่พบบ่อยบางข้อด้วย

CMOS Inverter คืออะไร?

CMOSหรือชื่อเต็มว่า Complementary Metal-Oxide-Semiconductor คือเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ชิปซิลิคอนชนิดหนึ่งที่ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ มากมาย โดยทำหน้าที่เกี่ยวกับการส่งผ่านสัญญาณในวงจร

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด CMOS เปรียบเสมือนสมอง มันเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กแต่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการควบคุมการไหลของสัญญาณผ่านวงจร CMOS ช่วยควบคุมการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามสัญญาณที่ได้รับ เช่นเดียวกับที่สมองของเราสั่งการให้ร่างกายทำอะไรต่างๆ

ประเภทของ CMOS อินเวอร์เตอร์

• อินเวอร์เตอร์ CMOS แบบดั้งเดิม : อินเวอร์เตอร์ CMOS แบบดั้งเดิมประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS ที่ต่ออนุกรมกันเพียงตัวเดียว
• อินเวอร์เตอร์ CMOS แบบคงที่ : ในอินเวอร์เตอร์ประเภทนี้ วงจรจะประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS เสมอ การใช้พลังงานต่ำและความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนสูงเป็นผลมาจากเงื่อนไขนี้
• อินเวอร์เตอร์ CMOS แบบไดนามิก : อินเวอร์เตอร์ประเภทนี้ช่วยให้ทำงานได้เร็วขึ้น แต่Hอาจใช้พลังงานมากกว่าอินเวอร์เตอร์ CMOS แบบคงที่ เนื่องจากใช้สัญญาณ นาฬิกา ในการควบคุมพฤติกรรมของทรานซิสเตอร์
• อินเวอร์เตอร์แบบ Pseudo-NMOS : การกำหนดค่านี้เรียบง่ายกว่า แต่ต้องการพลังงานมากกว่าเนื่องจากใช้เพียงทรานซิสเตอร์ NMOS สำหรับดึงลง (pull-down) และตัวต้านทานสำหรับดึงขึ้น (pull-up) เท่านั้น

แผนภาพวงจรของ CMOS อินเวอร์เตอร์

ด้านล่างนี้คือแผนผังวงจรของ CMOS อินเวอร์เตอร์

• แผนภาพแสดงทรานซิสเตอร์สองตัวที่ต่ออนุกรมกันระหว่างกราวด์และแหล่งจ่ายไฟ
• แตกต่างจากทรานซิสเตอร์ PMOS ที่ขั้วซอร์สเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟและขั้วเดรนเชื่อมต่อกับเอาต์พุต ทรานซิสเตอร์ NMOS นั้น ขั้วซอร์สเชื่อมต่อโดยตรงกับกราวด์ ในขณะที่ขั้วเดรนเชื่อมต่อกับเอาต์พุต
• สัญญาณนำเข้าของอินเวอร์เตอร์นั้นแท้จริงแล้วคือการเชื่อมต่อระหว่างขั้วเกตของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว
• เมื่อระดับสัญญาณอินพุตถึงระดับลอจิก 0 ทรานซิสเตอร์ NMOS จะเปิดทำงาน ซึ่งจะทำให้ทรานซิสเตอร์ PMOS ปิดทำงาน ส่งผลให้เอาต์พุตสูง ในทางตรงกันข้าม ในกรณีที่ทรานซิสเตอร์ NMOS ปิดทำงาน เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะต่ำเนื่องจากแรงดัน อินพุตสูง

การทำงานของ CMOS อินเวอร์เตอร์

• ในการสร้างวงจร CMOS อินเวอร์เตอร์ จำเป็นต้องรวมทรานซิสเตอร์สองประเภทเข้าด้วยกัน ได้แก่ PMOS และ NMOS
• กระบวนการนี้จำเป็นต้องเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ทั้งสองเข้าด้วยกันในลักษณะนี้ ดังนั้นจึงต้องมีทรานซิสเตอร์ NMOS หนึ่งตัวและทรานซิสเตอร์ PMOS หนึ่งตัว ซึ่งประกอบกันเป็นวงจร CMOS อินเวอร์เตอร์ที่สร้างขึ้นบนชิปซิลิคอนเดียวกัน
• ขั้วอินพุตประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าอินพุตป้อนเข้าที่เกตของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว พร้อมกับขั้วเอาต์พุตที่เชื่อมต่อกับเดรนของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว
• ขั้วของทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS ต่อกับแรงดันไฟเลี้ยงที่แตกต่างกัน ต่างจากขั้วอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทรานซิสเตอร์ NMOS ต่อกับกราวด์ (0 V) ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ PMOS ต่อกับแรงดันไฟเลี้ยงบวก (Vdd)

หลักการทำงานของ CMOS Inverter

• อินพุตสูง (ลอจิก 1):ทรานซิสเตอร์ NMOS จะเปิดทำงานเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าสูง (ลอจิก 1) ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ PMOS จะปิดอยู่ เมื่อทั้งสองสิ่งนี้เกิดขึ้น แรงดันไฟฟ้าขาออก (ลอจิก 0) จะลดลงเนื่องจากความต้านทานลดลงระหว่างขั้วเอาต์พุตและกราวด์
• อินพุตต่ำ (ลอจิก 0):ในทางตรงกันข้าม เมื่อป้อนแรงดันต่ำ (ลอจิก 0) เข้าที่ขั้วอินพุต ทรานซิสเตอร์ NMOS จะปิดการทำงาน และทรานซิสเตอร์ PMOS จะนำกระแส แรงดันเอาต์พุต (ลอจิก 1) จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากเส้นทางความต้านทานต่ำที่มีอยู่ระหว่างขั้วเอาต์พุตและแรงดันไฟเลี้ยงบวก (VDD)
• วงจร CMOS อินเวอร์เตอร์ทำงานได้ง่ายกว่าเนื่องจากคุณสมบัติเสริมของทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS เนื่องจากทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งนำกระแสในขณะที่อีกตัวหนึ่งปิดอยู่ ขึ้นอยู่กับแรงดันอินพุต ดังนั้นเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์จึงกลับด้านเมื่อเทียบกับสัญญาณอินพุต
• อินเวอร์เตอร์ CMOS มีการสูญเสียพลังงานขณะหยุดนิ่งต่ำมาก (ไม่มีกระแส DC ไหลระหว่าง VDD และกราวด์ในขณะที่อินพุตอยู่ที่ระดับลอจิกคงที่) อันเป็นผลมาจากการจับคู่แบบเสริมกันนี้

คุณลักษณะของ CMOS อินเวอร์เตอร์

คุณลักษณะของ CMOS Inverter มีดังต่อไปนี้:

คุณลักษณะสถิตของอินเวอร์เตอร์ (VTC)

• เมื่อวงจรอยู่ในสภาวะคงที่ กราฟ VTC จะแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเทียบกับแรงดันอินพุต แรงดันเกณฑ์คือจุดที่สถานะเอาต์พุตเปลี่ยนจากสูงไปต่ำอย่างฉับพลัน การผลิตจะลดลงต่ำกว่าระดับนี้และคงอยู่ในระดับสูงเหนือระดับนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานสมดุล อินเวอร์เตอร์ CMOS ควรให้กราฟ VTC ที่สมมาตรโดยรอบแรงดันกึ่งกลาง

• VTC มีลักษณะคล้ายฟังก์ชันขั้นบันไดกลับหัว เนื่องจากมีความแม่นยำมากขึ้นในการเปิด/ปิดการทำงาน คุณภาพในบริเวณการเปลี่ยนผ่านนั้นแสดงให้เห็นได้จากการมีค่าความชันที่ชัดเจน ซึ่งช่วยให้การสลับการทำงานมีความแม่นยำ โดยการเปรียบเทียบค่าอินพุตต่ำสุดภายในแต่ละบริเวณการทำงานแบบเปิดหรือปิด กับค่าเอาต์พุตสูงสุด เราสามารถคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนของสัญญาณรบกวนได้

คุณลักษณะไดนามิกของอินเวอร์เตอร์

• ภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าอินเวอร์เตอร์ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณอินพุตอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความเร็วและประสิทธิภาพของวงจร การชาร์จและการคายประจุของโหนดเอาต์พุตอย่างมีประสิทธิภาพสามารถทำได้ในอินเวอร์เตอร์ CMOS เนื่องจากความเร็วในการสวิตช์ที่รวดเร็วซึ่งเกิดจากทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS แบบคอมพลีเมนต์
• เวลาเพิ่มขึ้น (Rise Time หรือ tR) : คือเวลาที่สัญญาณเพิ่มขึ้นจาก 10% ไปถึง 90% ของค่าสุดท้าย
• เวลาสูงสุด (Peak Time หรือ tP) : เวลาที่ใช้ในการตอบสนองจนถึงค่าสูงสุด
• เวลาตก (Fall Time หรือ tF) : ระยะเวลาที่ใช้สำหรับการลดลงของสัญญาณ 90% ถึง 10% ขึ้นอยู่กับค่าของสัญญาณนั้น

ส่วนประกอบของ CMOS อินเวอร์เตอร์

1. ทรานซิสเตอร์ NMOS:ทรานซิสเตอร์ NMOS ประกอบด้วยขั้วเกต ขั้วซอร์ส และขั้วเดรน ทำให้เป็นทรานซิสเตอร์โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์แบบ N-channel เมื่อขั้วเกตเชื่อมต่อกับขั้วซอร์สด้วยประจุบวก ทรานซิสเตอร์ NMOS จะนำกระแส
2. ทรานซิสเตอร์ PMOS:ทรานซิสเตอร์โลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์แบบช่องสัญญาณ P ซึ่งมีขั้วเกต ซอร์ส และเดรน คล้ายกับทรานซิสเตอร์ NMOS โดยทั่วไปแล้ว ทรานซิสเตอร์ PMOS บางตัวจะนำกระแสเมื่อได้รับแรงดันลบ
3. วัสดุรองรับ:ซิลิคอนถูกนำมาใช้ในการสร้างทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS เพื่อให้มั่นใจได้ว่าทรานซิสเตอร์มีความเสถียรทางกลและเป็นฉนวนทางไฟฟ้าที่ดี
4. การเชื่อมต่อ:เพื่อสร้างโครงสร้างวงจรที่ต้องการ ขั้วต่อต่างๆ ของทรานซิสเตอร์จะเชื่อมต่อกันผ่านชั้นโลหะที่เชื่อมต่อกัน ภายในอินเวอร์เตอร์ CMOS ชั้นโลหะเหล่านี้รับประกันการส่งสัญญาณและการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เหมาะสม
5. การเชื่อมต่อเกต:เกตของทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS เชื่อมต่อกับขั้วอินพุตของอินเวอร์เตอร์ CMOS
6. การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ:โดยปกติแล้วทรานซิสเตอร์ PMOS และ NMOS จะเชื่อมต่อกับจุดที่แตกต่างกันบนอุปกรณ์จ่ายไฟ โดยทั่วไปแล้วทรานซิสเตอร์ PMOS จะเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าบวกของแหล่งจ่ายไฟ หรือที่เรียกว่า VDD ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ NMOS มักจะใช้กราวด์ (0 โวลต์)

คำศัพท์สำคัญ

1. แรงดันเกณฑ์ (Vth):แรงดันเกณฑ์ Vth คือแรงดันที่จำเป็นในการเปิดใช้งานทรานซิสเตอร์ โดยที่แรงดันเกณฑ์นี้ยังมีค่าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับแรงดันอินพุตอื่นๆ
2. เวลาหน่วงในการส่งสัญญาณ:คือผลรวมของเวลาหน่วงในการสลับสวิตช์ของทรานซิสเตอร์และเวลาการส่งสัญญาณก่อนที่เอาต์พุตจะตอบสนองหรือเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของอินพุต
3. ระยะขอบสัญญาณรบกวน (Noise Margin):ระยะขอบสัญญาณรบกวนคือความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดสำหรับสถานะ HIGH ที่ถูกต้อง และแรงดันไฟฟ้าขาเข้าต่ำสุดสำหรับสถานะ LOW ที่ถูกต้อง ค่านี้กำหนดความทนทานของไอซีต่อสัญญาณรบกวน
4. การใช้พลังงาน:อัตราการใช้พลังงานของอินเวอร์เตอร์ CMOS ต่ำ เนื่องจากคุณลักษณะการออกแบบทำให้ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าอินเวอร์เตอร์ประเภทอื่นๆ

ความแตกต่างระหว่าง CMOS และ TTL

อดีของ CMOS อินเวอร์เตอร์

• อินเวอร์เตอร์ CMOS มีการใช้พลังงานขณะหยุดนิ่งต่ำมาก
• วงจรเหล่านี้มีความอ่อนไหวต่อการรบกวนจากภายนอกน้อยกว่า จึงรับประกันประสิทธิภาพการทำงานที่เชื่อถือได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนสูง
• เนื่องจากสามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่หลากหลาย อินเวอร์เตอร์ CMOS จึงสามารถปรับใช้ได้กับงานหลายประเภท
• อินเวอร์เตอร์ CMOS ช่วยลดผลกระทบจากการโหลดโดยดึงกระแสจากวงจรขับน้อยมาก
• โดยทั่วไปแล้ว อินเวอร์เตอร์ CMOS จะมีเวลาในการเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างสมมาตร ซึ่งส่งผลให้ลักษณะการแพร่กระจายสัญญาณมีความสมดุลและประสิทธิภาพของวงจรดีขึ้น

ข้อเสียของ CMOS อินเวอร์เตอร์

• การผลิตชิป CMOS อาจส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและมีหลายขั้นตอน
• อินเวอร์เตอร์ CMOS มีเวลาหน่วงในการส่งสัญญาณที่จำกัด เนื่องจากปัจจัยหลายประการ
• ความแตกต่างเล็กน้อยในกระบวนการผลิตที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ CMOS นั้นสามารถสังเกตได้ ซึ่งอาจนำไปสู่ความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์หรือพฤติกรรมของทรานซิสเตอร์ในวงจรต่างๆ
• ผู้ใช้งานอาจพบว่าข้อจำกัดของอินเวอร์เตอร์ CMOS ที่ไม่สามารถทำงานที่กระแสสูงได้นั้น ถือเป็นข้อจำกัดเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีประเภทอื่น เช่นTTLเนื่องจากมีกำลังรับส่งไฟฟ้าที่ต่ำกว่า
• แม้ว่าอินเวอร์เตอร์ CMOS จะใช้พลังงานคงที่ต่ำ แต่ก็ยังคงมีกระแสรั่วไหล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งในที่สุดก็ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานคงที่

การประยุกต์ใช้งานของ CMOS Inverter

• ส่วนประกอบพื้นฐานของเกตตรรกะดิจิทัลแบบต่างๆ ที่ใช้ในโปรเซสเซอร์ วงจรหน่วยความจำ และระบบดิจิทัลอื่นๆ คือ อินเวอร์เตอร์ CMOS
• อุปกรณ์เหล่านี้ใช้สำหรับบัฟเฟอร์และกระจายสัญญาณนาฬิกาไปยังวงจรรวมในเครือข่ายกระจายสัญญาณนาฬิกา
• ในวงจรสัญญาณผสม อินเวอร์เตอร์ CMOS สามารถนำมาใช้สำหรับการเลื่อนระดับ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการแปลงระหว่างระดับแรงดันไฟฟ้าต่างๆ
• มีการนำไปใช้ในวงจร oscillator ในระบบดิจิทัลเพื่อสร้างสัญญาณอ้างอิงเวลาและสัญญาณนาฬิกา
• วงจรแบ่งความถี่ใช้ตัวแปลงความถี่ CMOS เพื่อแบ่งความถี่ของสัญญาณอินพุต
• อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ในวงจรที่มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อควบคุมการจ่ายไฟให้คงที่
• อินเวอร์เตอร์ CMOS ถูกนำมาใช้ขับเคลื่อนLED (ไดโอดเปล่งแสง) ในแผงแสดงผล และวงจรไฟแสดงสถานะด้วยเช่นกัน
• หลอด LED ถูกรวมเข้าไว้ในบริเวณสำคัญของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ ซึ่งรู้จักกันในชื่อเซลล์หน่วยความจำแบบเข้าถึงโดยสุ่มคงที่ (SRAM)
• วงจรเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ใช้ CMOS อินเวอร์เตอร์เพื่อปรับสภาพและประมวลผลสัญญาณจากเซ็นเซอร์ ต่างๆ
• พวกเขาปรับปรุงการใช้พลังงานให้เหมาะสมที่สุดโดยการควบคุมและจัดการการกระจายพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

บทสรุป

โดยสรุปแล้ว อินเวอร์เตอร์ CMOS เป็นองค์ประกอบสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เนื่องจากประสิทธิภาพและความยืดหยุ่น จัดเป็นอุปกรณ์แบบ n-channel ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะใช้ในการขยายสัญญาณและลดทอนสัญญาณ มีการนำไปใช้งานหลากหลายประเภทตามหน้าที่และการออกแบบ โดยหลักการทำงานอยู่ที่การผสมผสานอย่างราบรื่นของทรานซิสเตอร์ชนิด n และ p

การสลับสัญญาณและการกลับสัญญาณที่มีประสิทธิภาพเป็นไปได้ด้วยการรวมวงจรนี้ มีการประกอบชั้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อนเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวงจร CMOS อินเวอร์เตอร์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีและการใช้พลังงานต่ำ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจคำศัพท์บางคำ เช่น ระยะขอบสัญญาณรบกวน (noise margin) และเวลาหน่วงการแพร่กระจาย (propagation delay)

อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์ CMOS มีข้อดีหลายประการ เช่น ความเร็ว ความต้านทานต่อสัญญาณรบกวน และประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ในขณะที่ข้อเสียบางประการ ได้แก่ ความซับซ้อนในการออกแบบ และความไวต่อการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต การใช้งานอย่างแพร่หลายในหน่วยความจำ ไมโครโปรเซสเซอร์ และวงจรลอจิกดิจิทัล แสดงให้เห็นถึงความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ซึ่งเป็นการเปิดศักราชใหม่ของความสามารถในการคำนวณและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน