CMOS-инвертор: из двух транзисторов

CMOS-инвертор — минимальная цифровая схема: два транзистора, p-канальный сверху и n-канальный снизу, затворы соединены (это вход), стоки соединены (это выход).

Как работает: на входе ноль — p-MOS открыт, n-MOS закрыт, выход соединён с питанием (единица). На входе единица — p-MOS закрыт, n-MOS открыт, выход на земле (ноль).

Главное свойство: в обоих устойчивых состояниях один из транзисторов закрыт, поэтому ток от питания к земле не течёт. Потребление — только утечки (наноамперы). Именно поэтому КПД цифровых схем высок: энергия тратится на переключение, а не на удержание состояния.

Формула мощности: P ≈ C × U² × f + утечки. C — ёмкость нагрузки (затворы следующих элементов плюс дорожки). Удвоение частоты удваивает потребление, удвоение напряжения — учетверяет.

При переключении есть короткий момент, когда открыты оба транзистора (сквозной ток). Он длится наносекунды, но при высокой частоте даёт заметные потери и помехи — это одна из причин, почему быстрые чипы греются.

Порог переключения — около половины питания. Отсюда требования к фронтам: медленный вход держит оба транзистора приоткрытыми, растёт сквозной ток и шум. Поэтому на медленных сигналах ставят триггер Шмитта.

Из инвертора собирается всё: НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггеры, память. В современном процессоре миллиарды таких пар, и вся разница — в размере транзисторов и соединениях.