NOT回路で見るCMOSの消費電力が低い理由

最終更新日 2024年02月23日

CMOS使用NOT回路とNチャネルMOSFET使用NOT回路を比較

CMOSは消費電力が低いです。この理由をNOT回路で見てみます。CMOSを使用するNOT回路の比較対象は、NチャネルMOSFETを使用するNOT回路とします。

NOT回路

NOT回路とは、演算の否定を行う回路です。入力端子が1個、出力端子が1個あります。入力信号があると出力信号がなく、入力信号がないと出力信号があります。

CMOS

CMOSとはComplementary Metal Oxide Semiconductorの略で、NチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETを組み合わせたものです。

NチャネルMOSFET、PチャネルMOSFET

NチャネルMOSFETとは、電子を流すMOSFETです。PチャネルMOSFETとは、正孔を流すMOSFETです。

MOSFET

MOSFETとはMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略で、半導体表面に形成した酸化膜を介してゲートから電圧を加えるFETです。ここでは具体的な話はなしとし、ゲート、ドレイン、ソースの3個の端子がある部品をイメージして下さい。NチャネルMOSFETではゲートに正の電圧を加えると、ドレインからソースに電流が流れます。PチャネルMOSFETではゲートに負の電圧を加えると、ドレインからソースに電流が流れます。ドレインからソースに流れる電流をドレイン電流と呼びます。

NチャネルMOSFETを使用するNOT回路図

上図はNチャネルMOSFETを使用するNOT回路です。Gはゲート、Dはドレイン、Sはソースです。

入力信号なし

入力信号がない場合、ゲートに電圧が加わらないのでドレイン電流が流れません。Vccからの電流がGNDに流れませんので、GNDに流れる無駄な消費電力が発生しません。Vccからの電流が出力に流れるため、出力信号があります。

入力信号あり

入力信号がある場合、ゲートに電圧が加わるのでドレイン電流が流れます。Vccからの電流がNチャネルMOSFETを流れ、さらにGNDに流れます。そのため、GNDに流れる無駄な消費電力が発生します。Vccからの電流が出力に流れませんので、出力信号がありません。

CMOSを使用するNOT回路図

上図はCMOSを使用するNOT回路です。上がPチャネルMOSFET、下がNチャネルMOSFETです。

入力信号なし

入力信号がない場合、PチャネルMOSFETにはゲートに電圧が加わるのでドレイン電流が流れます。NチャネルMOSFETにはゲートに電圧が加わらないのでドレイン電流が流れません。Vccからの電流がPチャネルMOSFETを流れ、さらに出力に流れるため、出力信号があります。Vccからの電流がGNDに流れませんので、GNDに流れる無駄な消費電力が発生しません。

入力信号あり

入力信号がある場合、PチャネルMOSFETにはゲートに電圧が加わらないのでドレイン電流が流れません。NチャネルMOSFETにはゲートに電圧が加わるのでドレイン電流が流れます。Vccからの電流がPチャネルMOSFETを流れませんので、NチャネルMOSFETにも流れません。Vccからの電流がGNDに流れませんので、GNDに流れる無駄な消費電力が発生しません。Vccからの電流が出力に流れませんので、出力信号がありません。

無駄な消費電力なし

NチャネルMOSFETを使用するNOT回路では、入力信号がある場合に無駄な消費電力が発生します。CMOSを使用するNOT回路では、入力信号がある場合でも入力信号がない場合でも無駄な消費電力が発生しません。これがCMOSの消費電力が低い理由です。

CMOSでも消費電力あり

CMOSを使用するNOT回路では、CMOSの消費電力がなさそうです。入力信号がなしからあるに変わったり、あるからなしに変わったりすると、PチャネルMOSFETとNチャネルMOSFETで電力を多少消費します。そのため、低いですがCMOSでも消費電力があります。この消費電力が低いことも、CMOSの消費電力が低い理由です。

・ASCII.jp：半導体プロセスまるわかり　デジタル回路を構成するトランジスタ (3/3)(2014/01/20更新記事)

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