À quoi sert un onduleur CMOS ?

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Un onduleur CMOS est un élément de base de nombreux systèmes numériques qui utilisent des semi-conducteurs métalliques complémentaires (CMOS) Technologie. Il s’agit d’un type de porte logique qui convertit une tension d’entrée élevée en une tension de sortie faible, ou vice versa. Dans cet article, vous découvrirez l’objectif, la structure et les caractéristiques d’un onduleur CMOS.

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Presanna Govindaraj

1 Structure d’un onduleur CMOS

Un onduleur CMOS se compose de deux transistors : un transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur de type p (Le PMOSFET) et un transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique de type n (NMOSFET). Le PMOSFET est connecté entre la tension d’alimentation (VDD) et le nœud de sortie, tandis que le NMOSFET est connecté entre le nœud de sortie et la tension de masse (VSS). La tension d’entrée (Le NIV) est appliqué aux grilles des deux transistors, comme le montre la figure ci-dessous.

VDD
     |
     |
    PMOS
     |
     |---- VOUT
     |
    NMOS
     |
     |
    VSS
     |
    VIN

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Presanna Govindaraj
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A CMOS inverter, or complementary metal-oxide-semiconductor inverter, serves as a fundamental building block in digital integrated circuits. Its primary purpose is to convert input signals into complementary output signals. This conversion is achieved by leveraging the unique properties of complementary transistors, one P-channel and one N-channel, to efficiently switch between logic states (high and low). CMOS inverters play a crucial role in logic gates, amplifiers, and memory circuits, facilitating signal processing and data manipulation in various electronic devices and systems. Additionally, they offer advantages such as low power consumption, high noise immunity, and compatibility with modern semiconductor manufacturing processes.

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2 Fonctionnement d’un onduleur CMOS

Le fonctionnement d’un onduleur CMOS dépend du niveau de la tension d’entrée. Lorsque le VIN est bas (proche de VSS), le NMOSFET est allumé et le PMOSFET est éteint. Cela crée un chemin de faible résistance entre VOUT et VSS, tirant VOUT vers le bas. Lorsque le VIN est élevé (proche de la DMV), le PMOSFET est allumé et le NMOSFET est éteint. Cela crée un chemin de faible résistance entre VOUT et VDD, tirant VOUT vers le haut. Ainsi, la tension de sortie est toujours l’inverse de la tension d’entrée.

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3 Caractéristiques d’un onduleur CMOS

Un onduleur CMOS offre plusieurs avantages pour les systèmes numériques, tels qu’une faible consommation d’énergie due à un seul transistor allumé à la fois, une marge de bruit élevée car la tension de sortie est proche de VDD ou VSS, une vitesse de commutation élevée due à la variation rapide de la tension de sortie lorsque la tension d’entrée franchit un certain seuil, et une distribution élevée car la tension de sortie peut piloter plusieurs entrées d’autres onduleurs ou portes CMOS. Ces caractéristiques souhaitables rendent les onduleurs CMOS adaptés aux systèmes numériques, permettant d’augmenter la durée de vie de la batterie, d’accélérer le traitement et la communication des données et d’améliorer les performances.

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4 Applications d’un onduleur CMOS

Un onduleur CMOS peut être utilisé pour diverses applications dans les systèmes numériques, telles que l’inversion de signal pour implémenter une logique négative ou compléter une valeur binaire, la mise en mémoire tampon du signal pour améliorer la qualité et la fiabilité du signal, l’oscillation pour générer un signal périodique pour la génération de synchronisation ou de fréquence, et la synthèse logique pour former des fonctions logiques complexes. De plus, il peut être combiné avec d’autres onduleurs ou portes CMOS pour créer des opérations AND, OR, XOR, NAND, NOR, etc.

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Prof. Imed Saad Ben Dhaou

Stanford's Top 2% Scientists list. Full Professor in Embedded Systems at Dar Al-Hekma University and Adjunct Professor at the University of Turku, Secretary of the Scientific Council at Dar Al-Hekma University
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The inverter is employed to drive a substantial capacitance by cascading multiple inverters, with each succeeding inverter having a size K larger than its predecessor. Buffers based in properly scaled inverter can be used to design the clock network distribution.

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5 Les défis d’un onduleur CMOS

Un onduleur CMOS présente également plusieurs défis à relever, tels que la dissipation de puissance pendant la commutation, le délai de propagation et la capacité parasite. Lorsque la tension d’entrée change, les deux transistors sont brièvement allumés en même temps, créant un courant de court-circuit entre VDD et VSS qui augmente la dissipation de puissance et la température, affectant ainsi les performances et la fiabilité. De plus, la tension de sortie ne change pas instantanément lorsque la tension d’entrée change, mais prend un certain temps pour atteindre sa valeur finale, connue sous le nom de délai de propagation. Cela peut limiter la fréquence de fonctionnement maximale et la synchronisation du système. Enfin, les transistors et les interconnexions du circuit ont une capacité inhérente qui peut affecter la vitesse de commutation et la marge de bruit du système. Cela peut être réduit en minimisant la taille et la longueur des composants et des fils.

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1 Structure d’un onduleur CMOS

2 Fonctionnement d’un onduleur CMOS

3 Caractéristiques d’un onduleur CMOS

4 Applications d’un onduleur CMOS

5 Les défis d’un onduleur CMOS

6 Voici ce qu’il faut considérer d’autre

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