2004年04月20日

インバータ最終回

今回は、さしあたってのインバータの最終回である。
予告通り、ちょっとイレギュラーな、というか、他に一般的に使われている、インバータの紹介を。

まず、以下の図を見て頂戴。

抵抗インバータ

これ、今までの図と比べるとむちゃくちゃシンプルだけど、れっきとしたインバータなのね。
今までのCMOSインバータで使われていた、上側のPMOSが抵抗に変わっていて、入力のVinは下側のNMOSのゲートにしか入っていない。

軽く動作説明をすると、まずゲートに5Vのハイの信号1が入る場合は問題ないよね。前回と同じで下のNMOSがONするので文句なしに、VoutにはGndの0Vが出力としてでてきて、ロウの信号0となる。

反対にゲートに0Vのロウの信号が入る場合には、NMOSがOFFのままなので、上側の抵抗分の電圧降下を、Vddの5Vからひいた値がVoutの出力として出てくる。このとき、この抵抗がはてしなく小さければ、ここでの電圧降下は無視できるほどになって、結果としてほぼ5VのVddそのままの出力が出てくる。で、入力がロウなのに出力は反転してハイになる。

すると、あらまあ不思議。PMOSの代わりに抵抗使っても、ちゃんとインバータができている。

これ、実は前に少し説明した、昔のプロセスでCMOSプロセスが開発されていなくてNMOSのプロセスだけの時には、拡散層の抵抗を使うという技を使ってインバータを作ったわけ。

他にも方法があって、それはNMOSトランジスタをうまく使う。抵抗を使ってインバータができるなら、上側にONしっぱなしのトランジスタを置いてもいいってことになるよね。ONしっぱなしのトランジスタなら抵抗と同じだもんね。だからこの場合、NMOSのVthを0V以下にしちゃう。するとゲート電圧が0Vでも5Vでも、プラスの電圧をかけていればトランジスタがONするから、見かけは抵抗と同じに扱える。これはウェハープロセスでそこだけ違うVthのトランジスタを作るわけ。詳しくは、もっとあとでプロセスの話の時に説明することになるけど、こういうトランジスタのことをデプレッショントランジスタと呼んでいる。単にデプレッションとも言う。

こういうふうにすると、NMOSのプロセスだけでも、抵抗使ったり、デプレッショントランジスタを使えば、ちゃんとインバータができる。なかなかよい知恵だ。ちなみに、現在のCMOSプロセスでも、わざと抵抗を使ったりして回路を組んでいるから、この知恵は特にCMOSプロセス以外のためのものだけではない。

他にも、PMOSプロセスではどうやるかとか、応用はあるので、それは自分で考える。
こんなところで、このセッションのインバータの話は終わり。

次は、そろそろ、ウェハー上でのトランジスタの作り方にでも進もうかな。
posted by ピッコロ大魔王 at 11:47| Comment(3) | TrackBack(0) | 回路 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
こんばんわ。
今年の4月に某半導体会社に勤め始めたいっぺいと申します。
最近勉強を始めたのはよかったのですが、その矢先にCMOSの動作の説明がどうも納得できずにいて、違う表現、違う説明を探しておりましたら、ここにたどり着きました。
こんがらがるから、考えなくていいよってとこは以外は、CMOSの動作が完全に理解できました。(入社して今頃かよって感じですが)
うれしかったので、足跡を残す次第です。
本には閾値と電位差という表現をぬいてあっさり書かれてて、どうも釈然としなかったのですが、ここではやさしく、かつ詳しい解説がされていてよかったです。目からうろこでした。ありがとうございます。
Posted by いっぺい at 2004年08月29日 01:03
いっぺい様

おほめの言葉ありがとうございます。

確かに、この手のCMOSの動作やらインバータの動作に関する教科書の記述は、かなり省略して書いてあるので、初学者が自力で納得のいく理解を得るのは難しいですね。

ピッコロの場合も学生時代の専攻と違う分野だったため、最初のころは完璧に理解するのに結構苦労しました。学生の時に電気、電子などの専攻をしていた場合には講義などで習うので、ワリとすんなりと理解する人が多いようです。

でも、ピッコロは神様なのでそんな障害にくじけてはいられません。今後も皆様のお役に立てればと思っております。
Posted by ピッコロ大魔王 at 2004年08月30日 10:20
なぜ抵抗が必要なんでしょうか?今までの説明はすごくわかりやすかったのですが、その説明だと、抵抗がなくても問題ないような気がするのですが。電気のことがわかってなくて申し訳ないのですが、よかったら説明を追加して頂けると嬉しいです。
Posted by むむむ at 2012年09月17日 18:30
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