Cổng đảo CMOS

Đầu vào lệch khỏi mức chuẩn cần được một khối sửa thành đầu ra sạch

Đầu ra của khối này là đầu vào của khối sau, và có thể lệch (0,4 V, 1,4 V, ví dụ); cần khối cho ra sạch.

Đầu vào lệch là điện áp vào lệch khỏi mức không hoặc mức một, nhưng chưa tới vùng giữa. Mạch số cần một khối nhận đầu vào lệch và trả đầu ra sạch.

Xem lời đọc

Trong chip, đầu ra của khối này là đầu vào của khối kế tiếp. Nhưng đầu ra có thể hụt mức, ví dụ mức một chỉ còn cỡ một phẩy bốn vôn. Mức không cũng có thể lệch lên, ví dụ cỡ không phẩy bốn vôn. Điện áp vào như vậy gọi là đầu vào lệch, ngoài khoảng mức sạch nhưng chưa tới giữa. Nếu khối kế tiếp cũng làm lệch thêm, sai số có thể cộng dồn qua nhiều khối. Vậy cần một khối nhận đầu vào lệch và trả đầu ra sạch.

0,4 V và 1,4 V là ví dụ minh họa. Mức một mà nMOS truyền được là 1,8 V − 0,5 V = 1,3 V (hụt mức, đã học); 1,4 V là ví dụ gần mức đó. 0,4 V lệch lên khỏi mức không, cùng cỡ mức không mà pMOS truyền được (cỡ 0,5 V). Khoảng mức sạch ví dụ là trong 0,2 V quanh 0 V hoặc quanh 1,8 V, nên cả 0,4 V và 1,4 V nằm ngoài. Chip thật dùng ngưỡng nhận biết riêng, không phải 0,2 V. Vùng giữa (quanh 0,9 V) chưa gọi tên ở cảnh này.

pMOS kéo đầu ra lên điện áp cấp và nMOS kéo đầu ra xuống không vôn, vì mỗi loại truyền đủ đúng một mức

Dùng mỗi công tắc ở chỗ nó cho mức sạch: pMOS nối ra lên điện áp cấp, nMOS nối ra xuống đất.

Pull-up (kéo lên) là nối đầu ra tới điện áp cấp; pull-down (kéo xuống) là nối đầu ra tới không vôn. pMOS kéo lên, nMOS kéo xuống.

Xem lời đọc

Mạch cần nối đầu ra hoặc lên điện áp cấp, hoặc xuống không vôn. Nối đầu ra lên điện áp cấp gọi là kéo lên. Nối đầu ra xuống không vôn gọi là kéo xuống. pMOS truyền đủ mức một, nên ta dùng pMOS để kéo lên. nMOS truyền đủ mức không, nên ta dùng nMOS để kéo xuống. Mỗi loại chỉ làm việc mà nó cho mức sạch. Còn thiếu cách để chọn lúc nào kéo lên, lúc nào kéo xuống.

Đủ mức: cực nguồn (source) của pMOS nối với điện áp cấp, ở 1,8 V, nên giữ được 1,8 V; cực nguồn của nMOS nối với đất, ở 0 V, nên giữ được 0 V (không bị hụt mức). pMOS bật khi cổng nhỏ hơn cực nguồn ít nhất một ngưỡng: cổng 0 V, cực nguồn 1,8 V cho điện áp nguồn–cổng 1,8 V, lớn hơn 0,5 V. Hai mạch ở hình là hai mạch riêng, chưa ghép. Transmission gate (cổng truyền) là cách ghép khác, là chủ đề riêng, chỉ nhắc để biết (giáo trình mạch số).

Nối hai cổng của pMOS và nMOS vào nhau thành cổng đảo CMOS, hai transistor bù nhau

Cùng một điện áp vào hai cổng của transistor: vào mức không thì pMOS bật kéo ra lên, vào mức một thì nMOS bật kéo ra xuống.

CMOS (Complementary MOS, MOS bù nhau) ghép nMOS và pMOS có hai cổng nối vào nhau. Inverter (cổng đảo, một khối mạch logic) cho đầu ra ngược mức đầu vào.

Xem lời đọc

Ta nối cổng của pMOS với cổng của nMOS, rồi cấp một điện áp vào cho cả hai. Đầu vào ở mức không thì pMOS bật, còn nMOS tắt. Đầu ra được kéo lên, nên là mức một. Đầu vào ở mức một thì nMOS bật, còn pMOS tắt. Đầu ra được kéo xuống, nên là mức không. Hai transistor này bù nhau, nên mạch gọi là CMOS. Đầu ra ngược mức đầu vào, nên mạch này gọi là cổng đảo.

Cổng đảo là cổng logic (một khối mạch), khác 'cổng' là điện cực của transistor. pMOS bật khi cổng nhỏ hơn cực nguồn ít nhất một ngưỡng: vào 0 V cho điện áp nguồn–cổng 1,8 V (bật), vào 1,8 V cho 0 V (tắt). nMOS bật khi điện áp cổng–nguồn lớn hơn ngưỡng: vào 1,8 V bật, vào 0 V tắt. Đầu ra không nối gì thêm nên đứng ở mức được kéo tới. Hình vẽ pMOS trên, nMOS dưới, nút giữa là đầu ra. Cổng truyền (ghép nMOS và pMOS song song, hai cổng nhận mức ngược nhau) là thiết kế khác, không phải cổng đảo, chỉ nhắc để biết.

Đặc tuyến truyền đạt điện áp của cổng đảo là điện áp ra theo điện áp vào, và đường này dốc đứng ở vùng giữa

Quét điện áp vào từ không đến điện áp cấp: ra gần điện áp cấp, rơi rất dốc quanh giữa, rồi về gần không.

Voltage transfer characteristic (đặc tuyến truyền đạt điện áp) của cổng đảo là đồ thị điện áp ra theo điện áp vào khi vào đứng yên ở từng giá trị. Đường vẽ là ví dụ minh họa.

Xem lời đọc

Ta tăng dần điện áp vào từ không đến điện áp cấp. Ở mỗi giá trị, ta đo điện áp ra. Đồ thị điện áp ra theo điện áp vào gọi là đặc tuyến truyền đạt điện áp. Điện áp vào gần không thì pMOS bật, nên điện áp ra gần điện áp cấp. Điện áp vào gần điện áp cấp thì nMOS bật, nên điện áp ra gần không vôn. Ở giữa, đường rơi rất dốc, ví dụ quanh không phẩy chín vôn. Chỉ một khoảng hẹp điện áp vào làm điện áp ra đổi gần hết.

Đường vẽ minh họa định tính với độ dốc đã chọn (điểm đảo 0,9 V); không phải đo thật và không phải DEVSIM (mẫu chỉ có nMOS). Với hai transistor cân nhau điểm đảo ở giữa, 1,8 V ÷ 2 = 0,9 V; nếu không cân, điểm đảo lệch khỏi giữa. Độ dốc đoạn giữa là hữu hạn, không thẳng đứng hoàn toàn. Ở vùng giữa cả hai cùng dẫn, chỉ cần điện áp vào đổi nhẹ là bên kéo thắng đổi, nên điện áp ra đổi nhanh. Đặc tuyến truyền đạt điện áp (ra là điện áp ra) KHÁC đặc tuyến I_D–V_G ở bài 1 (một transistor, ra là dòng I_D theo điện áp cổng); nhiều giáo trình Việt gọi I_D–V_GS là 'đặc tuyến truyền đạt', nên bài này luôn kèm chữ 'điện áp'. Cũng khác I_D–V_D (dòng theo điện áp máng).

Vì đặc tuyến truyền đạt điện áp dốc đứng, đầu vào lệch cỡ 0,4 V hay 1,4 V vẫn cho đầu ra sạch

Hai đầu vào lệch rơi ngoài vùng xám, nên ra nằm trong khoảng mức sạch và còn đảo mức; chỉ quanh giữa mới có vùng xám.

Đầu vào 0,4 V và 1,4 V (ví dụ) nằm ngoài khoảng mức sạch, nhưng đầu ra nằm trong khoảng mức sạch. Vùng xám là khoảng điện áp vào quanh giữa cho đầu ra chưa sạch.

Xem lời đọc

Ví dụ ta đặt đầu vào lệch ở không phẩy bốn vôn, ngoài khoảng mức sạch của mức không. Theo đặc tuyến, điện áp ra gần điện áp cấp, nằm trong khoảng mức sạch của mức một. Đầu vào lệch ở một phẩy bốn vôn, ngoài khoảng mức sạch của mức một. Điện áp ra về gần không vôn, nằm trong khoảng mức sạch của mức không. Vậy với hai ví dụ này, đầu vào lệch vẫn cho đầu ra sạch và đảo mức. Quanh giữa có một khoảng điện áp vào cho đầu ra chưa sạch, ta gọi là vùng xám. Ngoài vùng xám của ví dụ này, đầu ra sạch.

Số là ví dụ minh họa trên đường của cảnh 4. Độ rộng vùng xám 0,8 V đến 1,0 V là CHỌN MINH HỌA (ví dụ), không suy từ công thức hay mô hình; chip thật có độ rộng riêng. Nếu chọn khoảng mức sạch ±0,2 V thì đường vẽ ở vùng này cho ra từ khoảng 1,6 V xuống khoảng 0,2 V (cũng chọn tay). Với vào 0,4 V nMOS dưới ngưỡng 0,1 V (0,4 V < 0,5 V), còn pMOS bật: ra ≈ 1,80 V, kèm dòng nhỏ qua nMOS; dòng dưới ngưỡng này lớn hơn dòng tắt hẳn ở 0 V (4,5 pA/µm là nMOS riêng ở 0 V), cỡ nA theo ước lượng, không phải số DEVSIM. Với vào 1,4 V, pMOS có điện áp nguồn–cổng 1,8 V − 1,4 V = 0,4 V, dưới ngưỡng 0,1 V nên tắt nhưng còn dòng nhỏ; nMOS bật, ra ≈ 0 V. Chọn 1,4 V thay 1,3 V để tránh mép ngưỡng (1,3 V đúng bằng ngưỡng của pMOS). Cổng đảo không khuếch đại đầu vào, nó chỉ chọn một trong hai mức sạch.

Khi đầu vào đứng yên ở mức không hoặc mức một, một trong hai transistor tắt nên dòng tĩnh của cổng đảo chỉ còn dòng rò

Đứng yên ở mức không hoặc mức một, transistor tắt chặn dòng từ điện áp cấp xuống đất; chỉ còn dòng rò rất nhỏ.

Static current (dòng tĩnh) là dòng chạy từ điện áp cấp xuống không vôn khi đầu vào đứng yên. Đứng yên ở mức không hoặc mức một, transistor tắt chặn dòng này, chỉ còn dòng rò.

Xem lời đọc

Giả sử đầu vào đứng yên ở mức không. Dòng chạy từ điện áp cấp xuống không vôn khi đầu vào đứng yên gọi là dòng tĩnh. pMOS bật còn nMOS tắt, nên transistor tắt chặn dòng này. Đầu vào đứng yên ở mức một cũng vậy, chỉ đổi vai hai transistor. Chỉ còn dòng rò rất nhỏ qua transistor tắt. Trong mô phỏng mẫu, một nMOS khi bật dẫn lớn hơn khi tắt hơn một trăm triệu lần. Vậy đứng yên ở mức không hoặc mức một, cổng đảo gần như không có dòng chạy qua.

Mô phỏng TCAD mẫu (một nMOS riêng, bài 1), V_D = 1,8 V: bật (V_G = 1,8 V) I_D = 0,55 mA/µm; tắt (V_G = 0 V) I_D = 4,5 pA/µm; tỉ số ≈ 1,2 × 10⁸ (tự tính). Hai số là của MỘT nMOS đo riêng, không phải dòng trong cổng đảo: ở trạng thái tĩnh transistor bật có V_DS ≈ 0, không mang dòng 0,55 mA/µm. Khi vào 0 V, nMOS chịu đúng V_G = 0, V_D = 1,8 V của số này. Mô phỏng mẫu không có pMOS; pMOS tắt chắc chắn vẫn rò, còn độ lớn cùng cỡ với nMOS là giả định, không phải kết quả. Điều kiện: chỉ đúng khi đầu vào đứng yên ở mức không hoặc mức một; đứng yên ở vùng giữa (vùng xám) thì cả hai bật và dòng tĩnh lớn, chính là dòng ngắn mạch kéo dài (cảnh 7). So với mạch chia điện áp (điện trở nối pin 90 kΩ, công tắc, ví dụ), mạch đó có dòng 1,8 V ÷ 100 kΩ = 18 µA mỗi khi công tắc bật; cổng đảo với 4,5 pA/µm × 0,08 µm ≈ 0,4 pA (0,08 µm là bề rộng ví dụ) nhỏ hơn cỡ hàng chục triệu lần nếu pMOS rò cùng cỡ (giả định). Chip thật còn rò qua cổng và mối nối; hình không tính. mA = một phần nghìn ampe; pA = một phần nghìn tỉ ampe.

Khi điện áp vào ở khoảng giữa, cả hai transistor cùng bật nên có dòng ngắn mạch, thoáng qua lúc đầu vào chuyển mức

Ở khoảng giữa của điện áp vào, cả hai cùng dẫn, dòng chạy thẳng từ điện áp cấp xuống đất, lớn nhất quanh giữa đặc tuyến.

Short-circuit current (dòng ngắn mạch) là dòng chạy thẳng từ điện áp cấp xuống không vôn khi cả pMOS và nMOS cùng bật, lớn hơn dòng rò nhiều. Dòng bị hai transistor giới hạn, không phải ngắn mạch thật.

Xem lời đọc

Đầu vào chuyển từ mức không lên mức một sẽ đi qua các giá trị ở giữa. Ví dụ ngưỡng đều là nửa vôn thì từ nửa đến một phẩy ba vôn cả hai cùng bật. Khi đó có dòng chạy thẳng từ điện áp cấp xuống không vôn. Ta gọi đó là dòng ngắn mạch, nhưng hai transistor giới hạn dòng, nên không phải ngắn mạch thật. Dòng này lớn nhất quanh giữa đặc tuyến, nơi hai transistor đều dẫn nhiều. Lúc chuyển mức, đầu vào chỉ ở khoảng giữa trong chốc lát, nên dòng này thoáng qua. Khi đầu vào đứng yên ở mức không hoặc mức một, dòng này gần như không còn.

Điều kiện cả hai bật: điện áp ngưỡng nMOS < vào < điện áp cấp − độ lớn ngưỡng pMOS, tức 0,5 V < vào < 1,3 V với số ví dụ. Dòng cực đại ở quanh điểm đảo (vùng giữa đặc tuyến). Khi đầu vào CHUYỂN mức, nó chỉ ở khoảng này trong chốc lát nên dòng thoáng qua; nhưng nếu đầu vào ĐỨNG YÊN ở khoảng giữa (ví dụ 0,9 V), cả hai bật liên tục và dòng tĩnh lớn, chính là dòng ngắn mạch kéo dài. Chỉ khi đứng yên ở mức không hoặc mức một dòng này mới gần như không còn (cảnh 6). 'Ngắn mạch' ở đây là cách gọi: hai transistor nối tiếp giới hạn dòng, khác ngắn mạch thật của dây nối thẳng. Công tắc vẽ đóng ở vùng này chỉ là cách gọn: transistor đang ở giữa tắt và bật. Độ lớn dòng phụ thuộc kích thước transistor và độ nhanh chuyển mức; hình vẽ định tính, không số, vì mô hình minh họa không phải đo thật. Nguồn: AllAboutCircuits, bài giảng mmmut, SNU (tra web 27/10/2026).

Cổng đảo chỉ có một đầu vào, nên chưa đủ cho mạch số cần quyết định từ nhiều đầu vào

Cổng đảo cho ra sạch và đảo mức, nhưng đầu ra chỉ phụ thuộc một đầu vào; mạch số cần hai hay nhiều.

Cổng đảo cho đầu ra sạch, và dòng tĩnh chỉ là dòng rò khi đứng yên ở mức không hoặc mức một, nhưng chỉ đảo một đầu vào. Mạch số còn cần đầu ra phụ thuộc nhiều đầu vào cùng lúc.

Xem lời đọc

Cổng đảo cho đầu ra sạch dù đầu vào lệch nhẹ. Nó còn đảo mức, và dòng tĩnh ở mức không hoặc mức một chỉ là dòng rò. Nhưng đầu ra của nó chỉ phụ thuộc đúng một đầu vào. Mạch số cần quyết định từ hai hay nhiều đầu vào cùng lúc. Hai đầu vào cho bốn cách đặt mức, còn cổng đảo chỉ có hai. Vấn đề còn lại là làm sao cho đầu ra phụ thuộc nhiều đầu vào.

Cổng đảo là cổng logic có một đầu vào nên chỉ có hai tổ hợp (vào mức không, vào mức một); hai đầu vào có bốn tổ hợp. Ở vào 0,4 V (ví dụ) đầu ra vẫn ≈ 1,80 V nhưng có dòng nhỏ qua nMOS, lớn hơn dòng tắt hẳn; ở vào mức không hoặc mức một đúng, kim sát không. Hình chỉ nêu vấn đề, không nêu cách ghép.
Số liệu