Карточка учителя: CMOS-ключ

Держит тебя на полшага впереди класса: чем завести обсуждение, что ответить на подвох и какие ошибки предупредить.

1. Банк вопросов «спроси класс»

«Почему телефон с миллиардами ключей не плавится?»

Правильный ответ: в CMOS один ключ в покое всегда закрыт → сквозного тока нет → энергия тратится только на переключения. Типичный ответ детей: «там стоит вентилятор / хорошее охлаждение». Подсказка: «Дело не в охлаждении, а в том, что ключи почти не греются в покое. Почему ток не течёт?»

«Вход — это один провод или два?»

Правильный ответ: один. Он приходит на оба затвора сразу. Типичный ответ детей: «два, ведь транзистора два». Подсказка: «Затворы соединены вместе. Один сигнал — два ключа реагируют на него по-разному».

«Оба ключа могут быть открыты одновременно?»

Правильный ответ: в устойчивом состоянии — нет. Лишь на краткий миг переключения оба чуть приоткрыты. Типичный ответ детей: «нет, никогда» ИЛИ «да, всегда наполовину». Подсказка: «Мы это поймали мультиметром: ток скачет именно в момент переключения».

«Что делает CMOS-пара с сигналом?»

Правильный ответ: переворачивает — это инвертор, элемент НЕ. Типичный ответ детей: «усиливает». Подсказка: «Посмотри на осциллограф: где вход вверху — выход внизу. Как это назвать одним словом?»

«Почему P-канальный стоит сверху, а N-канальный снизу, а не наоборот?»

Правильный ответ: P открывается низким уровнем и хорошо тянет к плюсу; N открывается высоким и хорошо тянет к земле. Каждый на своём месте работает эффективно. Типичный ответ детей: «без разницы / случайно». Подсказка: «Кто из них любит подтягивать к плюсу, а кто — к земле?»

«Почему процессор на высокой частоте горячее?»

Правильный ответ: больше переключений в секунду → больше кратких токовых всплесков → больше тепла. Типичный ответ детей: «он быстрее и поэтому устаёт». Подсказка: «CMOS платит током за каждое переключение. Больше переключений — больше плата».

«Что будет, если вход никуда не подключить?»

Правильный ответ: вход «плавает», ловит наводки, выход дёргается. Вход подтягивают резистором к 0 или 1. Типичный ответ детей: «останется 0». Подсказка: «Мы это видели: светодиод мигал сам. Вход в воздухе — беда».

«Из чего собран процессор на самом низком уровне?»

Правильный ответ: из миллиардов таких CMOS-ключей, соединённых в логические элементы (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Типичный ответ детей: «из проводочков и программы». Подсказка: «Программа — сверху. А железо внизу — вот эти самые пары ключей».

2. Вопросы с подвохом

«Если один ключ всегда закрыт, откуда вообще ток на переключения?» В момент, когда вход проскакивает середину, оба ключа на наносекунды приоткрываются — вот тогда и течёт короткий импульс. Плюс энергия уходит на перезаряд ёмкостей затворов и проводов. Отсюда правило: энергия ∝ частоте переключений.

«Почему на выходе не идеальные 0 В и 3,3 В, а чуть меньше/больше?» Открытый ключ — не идеальный ноль сопротивления (

R_{DS(on)}

). Под нагрузкой выход слегка «проседает» от идеала. Без нагрузки — очень близко к рельсам питания.

«Если соединить выход инвертора с его входом — что будет?» Схема впадёт в противоречие («0 требует 1, 1 требует 0») и начнёт колебаться — получится простейший генератор. Хороший повод показать на следующем уроке кольцевой генератор из 3 инверторов.

«Зачем два транзистора, если один MOSFET-ключ уже умеет включать-выключать?» Один ключ подтягивает выход только к одной стороне (нужен резистор для второй), и через этот резистор постоянно течёт ток. Пара CMOS активно тянет выход в обе стороны и почти не ест ток в покое. В этом её сила.

«3,3 В с ESP32 хватит, чтобы управлять CMOS?» Для CD4069/CD4007 при питании 3,3 В — да. Если запитать микросхему от 5 В, а управлять от 3,3 В, входной порог может не «дотянуться» — тогда либо запитывай логику тоже от 3,3 В, либо ставь преобразователь уровня. Хороший повод обсудить «уровни логики».

3. Частые ошибки учеников

Ошибка: думают, что у инвертора два раздельных входа (по одному на транзистор). Одной фразой: «Вход один — он идёт на оба затвора сразу; выход тоже один — с обоих стоков».

Ошибка: считают, что CMOS ест ток всё время, как лампочка. Одной фразой: «В покое ток почти нулевой. CMOS платит только за переключения — проверь мультиметром».

Ошибка: путают инверсию — ждут, что выход повторяет вход. Одной фразой: «Кружок на значке = переворот. Вход 1 → выход 0. Всегда наоборот».

Ошибка: оставляют вход неподключённым и удивляются «глюкам». Одной фразой: «Вход логики никогда не бросай в воздухе — подтяни резистором к 0 или 1».

Мини-шпаргалка на доску

Вход 0 → P открыт, N закрыт → Выход 1
Вход 1 → P закрыт, N открыт → Выход 0

В покое открыт ровно ОДИН ключ → сквозного тока нет → почти нет нагрева. Ток (и тепло) ∝ частоте переключений.

CMOS-ключ И-НЕ из транзисторов