なぜCMOSは低消費電力なのか：CMOS・PMOS・NMOSインバーターの比較

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(NOT回路)は、構成方式により以下の3つに分類されます。

• CMOSインバーター(Complementary MOS)

nMOSFETとpMOSFETを組み合わせた回路

• NMOSインバーター(単体NMOSロジック)

nMOSFETと抵抗を組み合わせた回路

• PMOSインバーター(単体PMOSロジック)

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。

CMOSとは：特徴と基本回路(インバーター)

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

入力が0のとき、nMOSFETのゲートには電圧が印加されないためOFFになります。一方、pMOSFETはONとなり、出力(V_out)は電源(V_DD)と接続されて1Vが出力されます。

このとき、V_DDとアース間に電流は流れないため、消費電力はほとんどありません。

• V_in=1Vの場合

nMOSFETのゲートに正の電圧が印加されると、nMOSFETがONになり、出力(V_out)はアースと接続されて0Vが出力されます。

このとき、V_DDとアースが接続されてリーク電流が流れるため、消費電力が増加します。

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されると、pMOSFETがONになります。一方、nMOSFETのゲートには電圧が印加されないため、nMOSFETはOFFです。

その結果、V_outは電源V_DDと接続され、1Vが出力されます。V_DDとアースは接続されないため、電流は流れず、消費電力は低くなります。

• V_in=1Vの場合

nMOSFETのゲートに正の電圧が印加されると、nMOSFETがONになります。pMOSFETのゲートには電圧が印加されないため、pMOSFETはOFFです。

その結果、V_outはアースと接続され、0Vが出力されます。V_DDとアースは接続されないため、電流は流れず、消費電力は低くなります。

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。