CMOS: два ключа, которые никогда не открыты вместе

1. Крючок: почему телефон не превращается в утюг?

Вспомни цифру с прошлого урока: 15+ миллиардов транзисторов в процессоре. Каждый — ключ. Если бы каждый ключ постоянно пропускал хоть немного тока, телефон грелся бы как утюг и садился за минуту.

Но он не греется и держит заряд весь день. Почему?

Секрет в хитрой паре ключей — CMOS. В ней в спокойном состоянии один ключ всегда закрыт. А раз закрыт — ток от плюса к минусу пройти не может. Дорога перекрыта. Электричество тратится только в момент переключения — миллиардные доли секунды.

Сегодня ты соберёшь эту пару своими руками, увидишь на осциллографе, как она переворачивает сигнал, и померишь, какой ничтожный ток она ест в покое.

2. Сквозная метафора: два вышибалы у лифта

Представь лифт между двумя этажами.

• Сверху стоит вышибала P (P-канальный MOSFET). За его спиной — плюс питания ($+V_{DD}$).
• Снизу стоит вышибала N (N-канальный MOSFET). За его спиной — земля (GND, минус).
• Между ними — площадка. Это выход схемы.

Правило железное: они работают наоборот друг другу. Когда один пускает — второй перекрывает. Оба одновременно никогда не открыты. Поэтому «сквозняка» тока сверху донизу нет.

• Пришёл сигнал «0» (низкий) → открывается верхний P → площадку подтягивает к плюсу → на выходе «1» (высокий).
• Пришёл сигнал «1» (высокий) → открывается нижний N → площадку подтягивает к земле → на выходе «0».

Заметил? На входе одно — на выходе противоположное. Это логический элемент НЕ (инвертор). Держи метафору в голове — вернёмся к ней.

3. Ядро без воды

Блок А. Как соединены два MOSFET

CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor, «комплементарный» значит «дополняющий друг друга». Берём пару:

• P-канальный сверху: его исток — на $+V_{DD}$. P-канальный открывается низким напряжением на затворе.
• N-канальный снизу: его исток — на землю. N-канальный открывается высоким напряжением на затворе.

А теперь фокус:

Блок Б. Таблица истинности инвертора

Формул тут нет — цифровая логика живёт таблицами. Вот вся работа CMOS-инвертора:

Символ логического элемента НЕ — треугольник с кружком на выходе. Кружок и означает «переворот»:

        ┌──────┐
Вход ───┤  >o  ├─── Выход (инверсия)
        └──────┘

Блок В. Временная диаграмма

Подадим на вход прямоугольный сигнал (меандр). Выход будет его зеркальным отражением по вертикали:

Вход:   ─┐   ┌───┐   ┌───┐   ┌─
          │   │   │   │   │   │
          └───┘   └───┘   └───┘

Выход:  ─┘   └───┘   └───┘   └─   (всё наоборот)

Где вход вверху — выход внизу, и наоборот. Ровно это ты увидишь на двух каналах осциллографа.

Блок Г. Почему CMOS почти не ест ток

Вот главное, ради чего всё затевалось.

Отсюда правило цифровой техники: CMOS почти не тратит энергию, пока «стоит», и тратит только когда «переключается». Поэтому миллиарды таких ключей мирно уживаются в холодном чипе. И поэтому чем выше частота процессора — тем он горячее: переключений в секунду больше.

4. Концептуальный чек-ап

5. Разбор схемы: ведём инвертор по шагам

Разберём таблицу истинности не как факт, а как маленькую историю.

6. Практика на верстаке

Сборка 1. Инвертор на готовой микросхеме

Возьми CD4069 (шесть инверторов в одном корпусе). Питание +3,3 В и GND. Заведи на вход одного инвертора сигнал с ножки ESP32, к выходу подключи светодиод через 330 Ом.

• Ставишь на входе «1» (3,3 В) → светодиод гаснет (на выходе «0»).
• Ставишь «0» (GND) → светодиод загорается (на выходе «1»).

Схема буквально переворачивает твою команду.

Сборка 2. Видим инверсию на двух каналах осциллографа

Загрузи в ESP32 скетч, который выдаёт прямоугольник (меандр). Щуп CH1 — на вход инвертора, щуп CH2 — на выход.

• На экране две линии-«лесенки».
• Где CH1 вверху — CH2 внизу, и наоборот. Идеальное зеркало.
• Курсорами Rigol измерь: фронты выхода чуть-чуть отстают от входа — это задержка распространения (пропаганда-делэй). Реальные ключи не мгновенны.

Сборка 3. Ловим ток покоя

Включи мультиметр в разрыв провода питания микросхемы (режим измерения тока, мА или мкА).

• Держишь вход неподвижно («0» или «1») → ток крошечный (микроамперы).
• Пусти на вход быстрый меандр от ESP32 → ток вырастает. Чем выше частота — тем больше.

Вывод своими глазами: CMOS платит током только за переключения.

Сборка 4 (ломаем и доводим до предела)

• Медленный фронт = сквозной ток. Вместо резкого меандра подай на вход медленно нарастающее напряжение (например, заряд конденсатора через резистор). Пока сигнал «ползёт» через середину, оба ключа приоткрыты одновременно — мультиметр в цепи питания покажет заметный всплеск тока. Это тот самый «сквозняк» (shoot-through), которого в цифре боятся. Вывод: CMOS любит резкие, а не плавные фронты.
• Вход в воздухе. Отключи вход совсем (пусть «висит»). Выход начнёт дёргаться от наводок, светодиод — мигать хаотично. Вывод: у логики вход нельзя оставлять неподключённым — его «подтягивают» резистором к «0» или «1».

7. Разноуровневые задания

Уровень 1 (воспроведение). Заполни таблицу истинности инвертора: вход 0 → выход __ ; вход 1 → выход __ .

Уровень 2 (понимание). Объясни своими словами, почему в CMOS-инверторе никогда (в покое) нет прямого пути тока от плюса к минусу.

Уровень 3 (понимание). На осциллографе выход отстаёт от входа на 8 наносекунд. Как называется эта задержка и почему она вообще есть, если «электричество быстрое»?

Уровень 4 (применение). Процессор на частоте 1 ГГц греется в 2 раза сильнее, чем на 0,5 ГГц (при прочих равных). Объясни это через «CMOS платит за переключения».

Уровень 5 (творчество). Из двух инверторов подряд можно сделать «повторитель» (вход = выход). Нарисуй такую цепочку и объясни, зачем она может быть нужна (подсказка: усилить/восстановить слабый сигнал). А что будет, если соединить выход инвертора с его же входом?

8. Итог урока

Вернись к двум вышибалам у лифта. Верхний пускает к плюсу, нижний — к земле, и они всегда работают наоборот. Один открыт — второй закрыт, сквозного тока нет, поэтому в покое схема почти не ест энергию. А на выходе всегда получается перевёрнутый вход — это логический элемент НЕ. Соедини миллиарды таких пар в хитром порядке — получишь процессор, который холодно считает миллиарды раз в секунду.

Дополнительные вопросы