Qué es el inversor CMOS : Funcionamiento y sus aplicaciones

El término "CMOS" significa "complementary-symmetry metal-oxide-semiconductor", que se pronuncia como "see mos". El CMOS es un tipo de MOSFET, cuyo proceso de fabricación utiliza pares de MOSFET complementarios y simétricos de tipo P y N para las funciones lógicas. Las principales características de los dispositivos CMOS son el consumo de baja potencia estática y la alta inmunidad al ruido. El inversor se acepta universalmente como la puerta lógica básica al realizar una operación booleana sobre una única variable i/p. Un circuito inversor básico se utiliza para realizar una variable lógica complementando de A a A'. Así, un Inversor CMOS es un circuito muy sencillo, diseñado con dos MOSFET de polaridad opuesta de forma complementaria. En este artículo se presenta una visión general del inversor CMOS y su funcionamiento con aplicaciones.

¿Qué es un inversor CMOS?

La definición de inversor CMOS es un dispositivo que se utiliza para generar funciones lógicas se conoce como inversor CMOS y es el componente esencial en todos los circuitos integrados. Un inversor CMOS es un FET (transistor de efecto de campo), compuesto por una puerta metálica que se encuentra encima de la capa aislante de oxígeno sobre un semiconductor. Estos inversores se utilizan en la mayoría de los dispositivos electrónicos encargados de generar datos n pequeños circuitos.

Diagrama esquemático del inversor CMOS

El elemento lógico como un inversor invierte la señal de entrada aplicada. En los circuitos lógicos digitales, la aritmética binaria y la conmutación o manipulación matemática de la función lógica se realizan mejor a través de los símbolos 0 y 1. La tabla de verdad del inversor CMOS se muestra arriba. Si la lógica de entrada es cero (0), la salida será alta (1), mientras que si la lógica de entrada es uno (1), la salida será baja (0).

A continuación se muestra el diagrama del circuito inversor CMOS. La estructura general del inversor CMOS es la combinación de los transistores PMOS y NMOS, donde el pMOS está dispuesto en la parte superior y el nMOS está dispuesto en la parte inferior.

La conexión de los transistores PMOS y NMOS en el inversor CMOS puede hacerse así. El transistor NMOS se conecta en los terminales de drenaje (D) y de puerta (G), se conecta una tensión de alimentación (VDD) en el terminal de fuente del PMOS y un terminal GND en el terminal de fuente del NMOS. La tensión de entrada (Vin) se conecta a los dos terminales de puerta de los transistores y la tensión de salida (Vout) se conecta a los terminales de drenaje (D) del transistor.

Es muy significativo observar que el dispositivo CMOS no tiene resistencias, por lo que será más eficiente energéticamente. Una vez que la tensión de entrada del CMOS cambia entre 0 y 5 voltios, el estado de ambos transistores cambiará en consecuencia. Si diseñamos cada transistor como un simple interruptor que se acciona a través de la tensión de entrada (Vin), el funcionamiento del inversor se puede observar de forma muy sencilla:

Funcionamiento del inversor CMOS

El funcionamiento del inversor CMOS es el mismo que el de otros tipos de FET, excepto que depende de una capa de oxígeno para dividir los electrones dentro de la puerta y el semiconductor. Están diseñados con una fuente de alimentación, un terminal de tensión de entrada, una tensión de salida, una puerta, un drenaje y transistores PMOS y NMOS que se conectan a la puerta y a los terminales de drenaje.

Cuando se da una tensión de entrada baja al inversor CMOS, el transistor PMOS se pone en ON, mientras que el transistor NMOS se pone en OFF, permitiendo el flujo de electrones a través del terminal de puerta y generando una tensión de salida lógica alta.

Del mismo modo, cuando el inversor CMOS recibe una tensión de entrada alta, el transistor PMOS se pone en OFF, mientras que el transistor NMOS se pone en ON, evitando que el mayor número de electrones alcance la tensión de salida y generando una tensión de salida lógica baja.

De este modo, la corriente continua pasa de la tensión de alimentación (VDD) a la tensión de salida (Vout) y el condensador de carga (CL) puede cargarse y muestra que Vout = VDD. Como resultado, el circuito anterior funciona como un inversor.

Características del inversor CMOS

El características del inversor CMOS se discuten a continuación.

Características estáticas del inversor o VTC

La calidad del inversor puede medirse frecuentemente mediante la VTC o curva de transferencia de tensión, que se traza entre la tensión de entrada (Vin) y la tensión de salida (Vo). A partir de las siguientes características estáticas, se pueden obtener los parámetros de los dispositivos como la ganancia, los niveles lógicos de funcionamiento y la tolerancia al ruido.

La VTC o curva de transferencia de tensión parece una función escalonada invertida que especifica la conmutación precisa entre ON y OFF, pero en los dispositivos reales existe una región de transición gradual. La curva de transferencia de tensión especifica que para una tensión de entrada menor, Vin, el circuito genera una tensión alta, Vout, mientras que, para una entrada alta, genera 0 voltios.

La pendiente de la región de transición es una medida de calidad: las pendientes pronunciadas producen una conmutación exacta. La tolerancia al ruido puede calcularse evaluando la entrada más pequeña a la salida más alta para cada región de funcionamiento ON u OFF.

Características dinámicas del inversor

A continuación se muestran las características dinámicas del inversor CMOS. Por ello, a continuación se discuten algunas de las siguientes definiciones formales de los distintos parámetros. Aquí, todos los valores porcentuales (%) son los valores en estado estacionario.

• Tiempo de subida o tr: El tiempo de subida es el tiempo utilizado para aumentar la señal del 10% al 90%.
• Tiempo de caída o tf: El tiempo de caída es el tiempo utilizado para que la señal baje del 90% al 10%
• Tasa de flancos o trf : Es (tr + tf )/2.
• El retardo de propagación de alta a baja o tpHL: Es el tiempo empleado para pasar de VOH a 50%.
• El retardo de propagación de bajo a alto o tpLH: El tiempo utilizado para aumentar de 50%- VOL.
• Retraso de propagación o tp: Es (tpHL + tpLH)/2.
• Retraso de contaminación o tcd: Es el menor tiempo desde el cruce del 50% de la entrada hasta el cruce del 50% de la salida.

Ventajas

El Ventajas del inversor CMOS incluyen las siguientes.

• La disipación de potencia en estado estacionario del inversor CMOS es prácticamente insignificante, aparte de la pequeña disipación de potencia debida a las corrientes de fuga.
• La VTC (característica de transferencia de tensión) presenta una oscilación completa de la tensión o/p entre 0 V y VDD, y la transición de la característica de transferencia de tensión suele ser muy brusca. Así, las características del inversor CMOS se parecen a las de un inversor ideal.
• Estos inversores utilizan la electricidad una vez que se conectan y desconectan, por lo que consumen menos energía. Como resultado, estos inversores generan un calor residual extremadamente bajo, lo que los hace muy eficientes, por lo que se utilizan en dispositivos electrónicos pequeños y delicados.
• Estos inversores incluyen una alta inmunidad al ruido, que les permite bloquear los picos de frecuencia entrantes y salientes.
• Son de bajo coste para producir en masa.

Desventajas

El Desventajas del inversor CMOS incluyen las siguientes.

• En comparación con otros inversores, la velocidad de conmutación del inversor CMOS es alta.
• Son muy difíciles de fabricar debido a que los dos transistores se utilizan en la misma pieza de sílice.
• Utiliza dos transistores para hacer un inversor, por lo que utiliza más espacio en el CI en comparación con el inversor NMOS.

Aplicaciones

El aplicaciones de los inversores CMOS incluyen las siguientes.

• Los inversores CMOS se utilizan en diferentes CI (circuitos integrados) como microprocesadores, RAM estática, microcontroladores, convertidores de datos, sensores de imagen y transceptores.
• Se encuentran en dispositivos móviles, cámaras digitales, ordenadores domésticos, teléfonos móviles, routers, servidores de red, módems y prácticamente cualquier otro dispositivo electrónico que necesite funciones lógicas.

¿Cuál es la función de un inversor CMOS?

Los inversores CMOS son los inversores MOSFET flexibles más utilizados en el diseño de circuitos integrados como el inversor CMOS hexagonal CD4069UB, CD4069UBE, CD40106BE, etc. Funcionan con muy poca pérdida de potencia y alta velocidad. Estos inversores se utilizan para generar datos en pequeños circuitos electrónicos.

¿Qué es una puerta inversora en CMOS?

En CMOS, una puerta inversora es un tipo de puerta lógica que se utiliza para implementar la negación lógica (¬).

¿Qué puerta se llama también inversor?

La puerta lógica NOT también se llama inversor porque la puerta NOT da una salida baja para una entrada alta y proporciona una salida alta para una entrada baja.

¿Por qué utilizamos el sustrato P en el CMOS?

Un sustrato de tipo P en CMOS permite construir transistores de canal n sin dopaje adicional. Esta es la principal ventaja, ya que el dopaje es bajo, la movilidad de los electrones es mayor, la ganancia es mayor y la velocidad de conmutación del transistor es alta.

Por tanto, se trata de una visión general de un CMOS inversor que funciona a alta velocidad y consume menos energía. Estos inversores tienen buenas características de búfer lógico, por lo que sus márgenes de ruido en condiciones altas y bajas son grandes. Aquí tienes una pregunta, ¿qué transistor P-MOS?