[전자/디스플레이/회로]NMOS PMOS Inverter 동작 원리와 특성

안녕하세요. "기억하고자 하는 모든 것"을 담아내는 "리멤버미" 입니다.

 

지난 시간에는 NMOS와 PMOS를 Inverter 설계 시 어떻게 동작하고 구성하는지와  NMOS나 PMOS로만 회로 설계 하는 이유에 대해 알아보았습니다.

 

그럼 이번엔 좀 더 세세하게 NMOS PMOS Inverter 동작 원리와 특성에 대해 알아보겠습니다.

 

[전자/디스플레이/회로]NMOS PMOS Inverter 동작 (디스플레이에서는 왜 CMOS가 아닌 NMOS PMOS로 만 회로

 

먼저 input은 low(0)로 out은 high(1)가 되는 경우입니다.

T1의 문턱전압 특성 Vth = 1V 라면

T1의 Vgs가 1V 이하로 떨어져 꺼질때까지 Vout의 전압은 올라가게 됩니다. 결국 Vout은 9V 까지 올라가게 되죠

식으로 표현하면 Vout = VDD – Vth가 되겠습니다.

 

다음은 input은 high(1)로 out은 low(0)이 되는 경우입니다.

아래 그림과 같이 Vout이 0V에 가깝도록 설계하려면 R1 >> R2 로해야할것입니다.

그렇다면 Transistor의 저항은 어떻게 다르게 설계할까요?

 

Triode mode : Vgs-Vth >> Vds

Ids = 1/2 u Cox W/L 2(Vgs-Vth) Vds – Vds^2 

R = Ids/Vds = 1 / (u Cox W/L (Vgs-Vth))

 

결론적으로 W/L 이 커지면 R이 작아집니다.. 결국 Transistor 의 size가 커질수록 저항은 작아진다는 이야기입니다.

그래서 T2가 T1보다 훨씬 크게 설계해야 합니다.

 

위와 같은 NMOS나 PMOS로만 설계한 인버터의 특성(단점)으로는

1. 설계사이즈 : 비율에 의해 결정되기 때문에 TR size가 cmos 대비 상대적으로 커집니다.

2. 소비전력 : CMOS는 하나씩만 켜져서 전류가 흐르지 않지만 NMOS나 PMOS는 turn on 상태에서 t1 t2모두 켜져있기 때문에 전류가 vss로 계속 흐르게 되어 소비전력이 CMOS대비 높습니다.

3. 동작속도 : CMOS는 high로 올라가는 과정에서 vgs가 바뀌지 않지만 NMOS나 PMOS는 Vgs가 점점 줄어들면서 High로 올라가기 때문에 속도가 느려지게 되고 결국 동작속도가 느려지게 됩니다.

 

그럼에도 디스플레이에서는 NMOS와 PMOS의 단일 재료로만 구성하기 때문에 위에 특성들을 고려해서 설계해야 합니다.