[Übersicht] CMOS-Inverter: Definition, Prinzip, Vorteile

Über CMOS

CMOS, komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter, auch COS-MOS (komplementär-symmetrischer Metall-Oxid-Halbleiter) genannt, ist ein Typ von MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Bei seinem Herstellungsverfahren werden komplementäre und symmetrische Paare von MOSFETs vom Typ p- und n- für logische Funktionen verwendet.

Die CMOS-Technologie wird zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen (IC) wie Mikroprozessoren, Speicherchips (einschließlich CMOS-BIOS), Mikrocontrollern und anderen digitalen Logikschaltungen verwendet. Sie wird auch für analoge Schaltungen wie Bildsensoren (CMOS-Sensoren), RF-Schaltungen (RF-CMOS), Datenwandler sowie hochintegrierte Sende- und Empfangsgeräte für viele Kommunikationsarten verwendet.

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Was ist ein CMOS-Inverter?

Wir sollten uns zuerst einmal anschauen, was ein Inverter ist. In der digitalen Logik ist ein Inverter, auch bekannt als NOT-Gatter, ein logisches Gatter, das die logische Negation implementiert. Das Prinzip eines Inverters ist, dass er bei der Eingabe von „A“ „NICHT A“ ausgibt. Wenn Sie zum Beispiel „0“ eingeben, gibt der Inverter „1“ aus; wenn Sie „1“ eingeben, gibt er „0“ aus.

Eine Inverterschaltung gibt also eine Spannung aus, die den entgegengesetzten logischen Pegel zu ihrem Eingang darstellt. Seine Hauptfunktion besteht darin, das Eingangssignal zu invertieren. Das heißt, wenn der Eingang niedrig ist, wird der Ausgang hoch und umgekehrt. Dies ist auch das Funktionsprinzip des CMOS-Inverters.

Ein Inverter kann mit einem einzelnen P-Metalloxid-Halbleiter (PMOS) oder einem einzelnen N-Metalloxid-Halbleiter (NMOS) aufgebaut und mit einem Widerstand gekoppelt werden. Der Strom fließt durch den Widerstand in einem der beiden Zustände, so dass die „Resistive-Drain“-Konfiguration stromsparend und schnell ist.

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Alternativ kann ein Inverter auch aus 2 komplementären Transistoren in einer CMOS-Konfiguration aufgebaut werden, was als CMOS-Inverter bezeichnet wird. Die Vorteile von CMOS-Invertern sind ein sehr geringer Stromverbrauch und eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, da einer der Transistoren in beiden logischen Zuständen immer ausgeschaltet ist und der Widerstand relativ gering ist (im Vergleich zu reinen NMOS- oder PMOS-Bauelementen).

Aufbau von CMOS-Invertern

CMOS-Inverter können auch als NOSFET-Inverter bezeichnet werden. In einem CMOS-Inverter liegt die Versorgungsspannung VDD am PMOS-Source-Anschluss und Masse am NMOS-Source-Anschluss an. WIN ist mit den Gate-Anschlüssen und VOUT mit den Drain-Anschlüssen verbunden.

Der CMOS-Inverter enthält keine Widerstände, was ihn leistungseffizienter macht als einen herkömmlichen MOSFET-Inverter mit integrierten Widerständen.

Wie funktioniert ein CMOS-Inverter?

Digitale Elektronikschaltungen arbeiten mit festen Spannungspegeln, die einer logischen 0 oder 1 (binär) entsprechen. Eine CMOS-Inverterschaltung dient als grundlegendes logisches Gatter, um zwischen diesen beiden Spannungspegeln umzuschalten. Die Implementierung bestimmt die tatsächliche Spannung. Übliche Pegel sind jedoch (0, +5 V) für Transistor-Transistor-Logikschaltungen (TTL).

CMOS kann auch mit bipolaren Sperrschichttransistoren (BJT) in einer Widerstands-Transistor-Logik (RTL) oder TTL-Konfiguration aufgebaut werden.

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CMOS-Hex-Inverter

Der Hex-Inverter ist ein integrierter Schaltkreis, der sechs (Hexa-) Inverter enthält, z. B. den 7404 TTL-Chip und den 4049 CMOS. Der CMOS-Inverter 4049 IC hat 16 Pins: 12 Pins werden für Ein- und Ausgänge verwendet, 2 Pins dienen der Stromversorgung/Referenzierung, und die restlichen 2 Pins sind mit nichts verbunden. Der TTL-Chip 7404 hat 14 Pins.

Ein Inverter ist ein grundlegender Baustein in der digitalen Elektronik. Multiplexer, Zustandsautomaten, Decoder und andere anspruchsvolle digitale Geräte können Inverter verwenden.

Fazit

CMOS-Inverter sind eine wichtige Komponente eines Schaltkreises. Sie bieten eine geringe Verlustleistung, schnelle Übertragungsgeschwindigkeit und hohe Puffermargen. Diese drei Eigenschaften von Invertern sind für die meisten Schaltungsaufbaus unerlässlich. Das ist der Grund, warum CMOS-Inverter immer beliebter werden.