상보형 CMOS 인버터의 직류 전달 특성 곡선이 다음과 같을 때, c점에서 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터의 동작 모드를 바르게 연결한 것은? (단, 와 는 각각 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터의 문턱전압이다)
2023년 국가직 9급 전자공학개론 7번
2023년도 시행 • 7번 문항
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정답: 2번
■ 1단계: CMOS 인버터 전압전달특성(VTC)의 c점(천이 영역 중앙) 전압 조건
• CMOS 인버터의 대칭 천이 영역 중심인 c점에서는 입력 전압과 출력 전압이 대칭 평형을 이룹니다.
$V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD}, \quad V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
■ 2단계: c점에서 PMOS 및 NMOS의 동작 모드 판별
• NMOS 트랜지스터:
- 게이트-소스 전압: $V_{GSn} = V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD} > V_{Th}$ (도통 상태)
- 드레인-소스 전압: $V_{DSn} = V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
- 포화 영역 판정 조건: $V_{DSn} \ge V_{GSn} - V_{Th}$
- $\frac{1}{2}V_{DD} \ge \frac{1}{2}V_{DD} - V_{Th}$ 조건을 만족하므로 NMOS는 '포화영역'에서 동작합니다.
• PMOS 트랜지스터:
- 소스-게이트 전압: $V_{SGp} = V_{DD} - V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD} > |V_{Tp}|$ (도통 상태)
- 소스-드레인 전압: $V_{SDp} = V_{DD} - V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
- 포화 영역 판정 조건: $V_{SDp} \ge V_{SGp} - |V_{Tp}|$
- $\frac{1}{2}V_{DD} \ge \frac{1}{2}V_{DD} - |V_{Tp}|$ 조건을 만족하므로 PMOS 역시 '포화영역'에서 동작합니다.
■ 최종 결과:
• PMOS / NMOS: 포화영역 / 포화영역 (②번)
• CMOS 인버터의 대칭 천이 영역 중심인 c점에서는 입력 전압과 출력 전압이 대칭 평형을 이룹니다.
$V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD}, \quad V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
■ 2단계: c점에서 PMOS 및 NMOS의 동작 모드 판별
• NMOS 트랜지스터:
- 게이트-소스 전압: $V_{GSn} = V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD} > V_{Th}$ (도통 상태)
- 드레인-소스 전압: $V_{DSn} = V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
- 포화 영역 판정 조건: $V_{DSn} \ge V_{GSn} - V_{Th}$
- $\frac{1}{2}V_{DD} \ge \frac{1}{2}V_{DD} - V_{Th}$ 조건을 만족하므로 NMOS는 '포화영역'에서 동작합니다.
• PMOS 트랜지스터:
- 소스-게이트 전압: $V_{SGp} = V_{DD} - V_{in} = \frac{1}{2}V_{DD} > |V_{Tp}|$ (도통 상태)
- 소스-드레인 전압: $V_{SDp} = V_{DD} - V_{out} = \frac{1}{2}V_{DD}$
- 포화 영역 판정 조건: $V_{SDp} \ge V_{SGp} - |V_{Tp}|$
- $\frac{1}{2}V_{DD} \ge \frac{1}{2}V_{DD} - |V_{Tp}|$ 조건을 만족하므로 PMOS 역시 '포화영역'에서 동작합니다.
■ 최종 결과:
• PMOS / NMOS: 포화영역 / 포화영역 (②번)