CMOS-Gatter

CMOS bedeutet Complementary MOSFET, komplementäre MOSFET.

Wir betrachteten zunächst, wie CMOS-Inverter ausgebaut sind und wie sie funktionieren. Abschließend wird anhand von NOR und NAND-Gattern vorgestellt, wie Gatter in CMOS-Technik aufgebaut sind.

CMOS-Inverter

Wir kennen den CMOS-Inverter 4049 aus dem Digital-Praktikum Was heißt denn hier EINS in dem wir die verschiedenen Logikzustände betrachtet haben.

Es gibt zwei wichtige Familien von CMOS-Bausteinen.

• Die Standard-CMOS-Familie für 3V bis 15V Betriebsspannung, hier als CMOS bezeichnet.

• Die 74HC-Familie für 2V bis 6V Betriebsspannung, hier als HC bezeichnet.

Wir betrachten beide Varianten des 4049, den CMOS 4049 und den 74HC4049.

Die interne Schaltung der beiden Varianten der Inverter unterscheidet sich kaum, sondern die Eigenschaften der verwendeten MOSFET.

In Komplementäre Transistoren haben wir bereits die Schaltung eine CMOS-Inverters betrachtet.

In Bild 1 sind die Gate und die Drain zweier komplementärer MOSFET zusammengeschlossen. Die Last - zwei LED - sind an den gemeinsamen Ausgang gelegt. Bei logisch 1, High (+5V) an den Gates leitet Q1 und LED1 leuchtet. Bei einer logisch 0, Low (0V) leitet Q2 und LED1 leuchtet. Es leitet immer nur einer der beiden MOSFET.

Wenn die Last - die beiden LEDs - am Ausgang entfernt wird, fließt kein Strom über die beiden MOSFETs. Aber dennoch ist der Zustand am Ausgang eindeutig: Entweder ist er logisch 0, wenn Q1 leitet oder logisch 1, wenn Q2 leitet.

Ein Gate des eines CMOS 4049 oder 74HC4049 würde diesen Zustand eindeutig erkennen.

Die Schaltung in Bild 1 hat die Digital-Technik geradezu revolutioniert. Die Schaltung stimmt im Prinzip mit einem Inverter in den 4049 überein.

Wie sich die Schaltung in Bild 2 verhält, haben wir im Prinzip in Bild 1 beschrieben.

Das Verhalten eines CMOS-Inverters wird am besten durch Kennlinien beschrieben.

Wir betrachten die Wirkung der Eingangsspannung eines CMOS-Inverters.

• Welche Ausgangsspannung gibt der Inverter bezüglich der Eingangsspannung ab?

• Welcher Strom fließt durch den Inverter bezüglich der Eingangsspannung?

• Wie unterscheiden sich die Ausgangsspannungen eines CMOS 4049 und 74HC4049?

Mit der Schaltung in Bild 3 können Kennlinien eines 4049 Inverters aufgenommen werden. Damit die übrigen Inverter im 4049 keine Wirkung haben, haben wir die Eingänge auf +5V gelegt.

Die Eingangsspannung wird über ein Potentiometer eingestellt und die Ausgangsspannung gemessen.

Den Strom durch einen Inverter können wir eigentlich nicht unmittelbar messen. Der Strom in der Versorgungsleitung des 4049 ist eigentlich der Strom durch alle sechs Inverter. Dieser Strom ist bei einer Eingangsspannung von +5V sehr klein. Wenn der Strom allerdings ansteigt, wird er nur von dem gemessenen Inverter aufgenommen.

Wir nehmen die Kennlinien eines CMOS 4040 und eines 74HC4049.

Diese Kennlinien werden Transferkennlinien genannt, weil sie die Übertragung zwischen Ein- und Ausgangsspannung darstellt.

Offensichtlich ändert die Ausgangsspannung den Pegel in einem ziemlich engen Bereich der Eingangsspannung, zwischen 2V und 3V, bei etwa 2,5V. Dieses ist für beide Familien gleich, obwohl die Kennlinie des 74HC4049 steiler verläuft.

Messen wir den Strom durch den Inverter.

Uein / V	CMOS Id / mA	HC Id / mA
0.0	0.00	0.00
0.5	0.00	0.00
1.0	0.00	0.04
1.5	0.00	0.52
1.8	0.07	1.02
1.9	0.15	1.23
2.0	0.26	1.42
2.1	0.41	1.62
2.2	0.59	1.84
2.3	0.80	2.25
2.4	1.02	7.04
2.5	0.99	6.36
2.6	0.86	2.14
2.7	0.73	1.95
2.8	0.61	1.76
2.9	0.50	1.58
3.0	0.39	1.41
3.5	0.01	0.63
4.0	0.00	0.01
4.5	0.00	0.00
5.0	0.00	0.00

Tabelle 2

Diese Messungen bestätigen unsere Interpretation der Spannungsmessung.

Der Querstrom durch den 74HC4049 ist wesentlicher höher als im Standard-CMOS 4049. Offensichtlich sind die MOSFET im 74HC4049 niederohmiger.

• Bei Eingangsspannungen nahe 0V oder 5V nehmen die 4049 sehr wenig Strom auf.

• Ein Betrieb bei 2,5V führt dagegen zu einem merklichen Querstrom durch das Gatter.

Betriebsspannungen

CMOS-Bausteine können in einem weiten Bereich von Betriebsspannungen verwendet werden.

• Standard CMOS zwischen 3V und 15V

• HC-CMOS zwischen 2V und 6V

Das Verhalten der CMOS-Inverter ist bei allen Betriebsspannungen U_v ähnlich.

• Liegt der Eingang bei 0V oder U_v, fließt im Gatter kein Querstrom.

• Der Transfer liegt bei der halben Betriebsspannungen, U_v/2.

• Im Bereich des Transfers kann ein Querstrom fließen.

CMOS Gatter

In CMOS-Technik lassen sich Gatter einfach aufbauen.

Es ist wie beim Inverter,

• solange die Eingangsspannung bei 0V liegt, ist der P-MOSFET eines Paares ein- und der N-MOSFET ausgeschaltet.

• solange die Eingangsspannung bei U_v liegt, ist der P-MOSFET eines Paares aus- und der N-MOSFET eingeschaltet.

• In den Gattern fließt kein Querstrom, wenn die Eingänge auf 0V oder U_v liegen.

• Wenn alle Eingänge im Bereich der halben Betriebsspannung liegen, kann ein Querstrom durch das Gatter fließen.

Die meisten Logikbausteine in CMOS-Technik sind nach diesem Prinzip aufgebaut.