【簡単解説】なぜCMOSは低消費電力なのか？

CMOSが低消費電力な理由は「入力電圧に応じてpMOS・nMOSのどちらかがOFF状態となるため、V_DDからアースへの電流が流れないため」と説明されます。

この意味をCMOS・PMOS・NMOSインバーター回路を比較しながら考えてみましょう。

CMOS・PMOS・NMOSインバーターの構造

インバーター回路にはCMOS、PMOS、NMOSインバーターがあります。

• CMOSインバーター

nMOSFETとpMOSFETを組み合わせた回路(CMOSとは？)

• NMOSインバーター

nMOSFETと抵抗を組み合わせた回路

• PMOSインバーター

pMOSFETと抵抗を組み合わせた回路

MOSFETをスイッチング可能な抵抗と考え、pMOSを通常の抵抗に置き換えたのがPMOSインバーターです(NMOSも同様)。

CMOSインバーターはpMOS・nMOSいずれもスイッチング可能な抵抗を用いた構造です。

NMOSインバーターの動作原理

NMOSインバーターの動作は以下の通りです。簡略化のため、電源電圧を1V、接地を0Vとして考えてみましょう。

• V_in=0Vの場合

nMOSFETのゲートに電圧は印加されない⇒nMOSFETがOFF

V_outは電源V_DDと接続⇒1Vが出力

V_DDとアースは非接続で電流は流れない⇒低消費電力

• V_in=1Vの場合

nMOSFETのゲートに正の電圧が印加⇒nMOSFETがON

V_outはアースと接続⇒0Vが出力

V_DDとアースは接続されリーク電流が流れる⇒高消費電力

NMOSインバーターの場合、NMOSがONの状態で電源からアースに電流が流れ続けることになるため、消費電力が大きくなります。

PMOSインバーターも全く同じ原理で、pMOSがONの状態では電源からアースに電流が流れ続け、消費電力が増大します。

CMOSインバーターの動作原理

次に、CMOSインバーターの動作原理を見ていきましょう。

• V_in=0Vの場合

pMOSFETのゲートに負の電圧が印加⇒pMOSFETがON

nMOSFETのゲートに電圧は印加されない⇒nMOSFETがOFF

V_outは電源V_DDと接続⇒1Vが出力

V_DDとアースは非接続で電流は流れない⇒低消費電力

• V_in=1Vの場合

nMOSFETのゲートに正の電圧が印加⇒nMOSFETがON

pMOSFETのゲートに電圧は印加されない⇒pMOSFETがOFF

V_outはアースと接続⇒0Vが出力

V_DDとアースは非接続で電流は流れない⇒低消費電力

CMOSは、0の出力・1の出力いずれにおいても、電源とアースは接続されません。そのため、リーク電流が流れず常に消費電力が小さいのです。