CMOS의 스위칭 동작

CMOS는 많은 논리게이트의 기본소자로서 사용됩니다. Complementary Metal-Oxide Semiconductor(상보적 금속-산화물 반도체)라고 불리는 이 소자는 PMOS와 NMOS의 조합으로 이루어집니다. 오늘은 CMOS가 PMOS와 NMOS보다 스위칭 회로로서 많이 사용되는 이유를 직접 시뮬레이션을 통해 확인해보겠습니다.
#Capture CIS Lite 사용했습니다.

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1단계) 먼저 PMOS와 NMOS의 스위칭동작을 확인해보겠습니다.
 먼저 NMOS를 살펴보겠습니다. 아래와 같이 Pspice를 통해 시뮬레이션하였습니다. Gate 단의 전압을 0V에서 5V까지, 0.1V 단위로 DC SWEEP하여 게이트 전압에 따른, Drain에서의 전압을 확인하였습니다. 그 결과 아래 붉은 원 지점에서 볼 수 있듯이, Pull-down 회로가 되었을 때, 0V를 정확하게 전달되지 못하는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한, 저항을 필요로 하여 회로의 크기가 커지고, 소비전력이 높아질 것을 예측할 수 있었습니다. NMOS는 0V에서 OFF, 5V에서 ON으로 동작합니다. 

x축이 GATE 전압, y축 Drain 전압

 이후 PMOS에서도 비슷한 결과를 확인할 수 있었습니다. PMOS 또한 Drain에 저항소자가 필요했고, Pull-up 지점에서 5V가 제대로 출력되지 않는 것을 확인할 수 있었습니다. 마찬가지로 저항으로 인해, 회로의 집적도가 작아지고, 소비전력이 높아질 것을 예측할 수 있었습니다. PMOS는 0V에서 ON, 5V에서 OFF으로 동작합니다.  마치 인버터처럼요.

x축이 GATE 전압, y축 Drain 전압

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2단계) CMOS의 동작
 아래와 같이 CMOS를 구성하였습니다. CMOS는 NMOS와 PMOS를 결합하여 구성할 수 있었고, 아래와 같이 전압이 출력되었습니다. Pull-up과 Pull-down 모두 정확히 5V와 0V가 출력되는 것을 확인할 수 있었습니다. 따라서, CMOS는 정확한 스위칭 역할을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 저항이 필요하지 않아, NMOS와 PMOS에 비해 좋은 성능을 가집니다. Gate가 0V일땐, PMOS가 ON되고, Gate가 5V일땐, NMOS가 ON되어 동작합니다. 아래 그래프를 통해 CMOS가 인버터로 동작하는 것을 알 수 있습니다.

 x축이 GATE 전압, y축 프로브 전압

 

따라서, CMOS가 5V, 0V의 정확한 전압을 출력할 수 있어, NMOS와 PMOS에 비해 스위칭 회로로 선호된다는 것을 알 수 있습니다!