Bevezetés a CMOS technológiába
2024-07-09 6583

A digitális elektronika fejlődését a komplementer fém-oxid-cemicanuctor (CMOS) technológia fejlesztése alakította ki.A gyorsabb feldolgozási sebesség és a hatékonyabb energiafogyasztás szükségességére reagálva a CMOS technológia forradalmasította az áramkör -tervezést az energia és a jel integritásának innovatív megközelítésével.A Bipolar Junction Transistor (BJT) eszközökkel ellentétben, amelyek az áram áramlásától függnek, a CMOS eszközök olyan feszültségvezérelt mechanizmusokat használnak, amelyek jelentősen csökkentik a kapuáramot, ezáltal minimalizálva az energiavesztést.Ez a technológia az 1970-es években először vonzódott a fogyasztói elektronikában, például az elektronikus órákban, de az 1980-as években a nagyon nagy méretű integráció (VLSI) megjelenése volt, amelyek valóban megerősítették a CMO-k helyzetét a modern elektronikában.A korszak tanúja volt a CMO -k technológiájának, amely javította az áramkör megbízhatóságát, a zajállóságot és a teljesítményt változó hőmérsékleten és feszültségen keresztül, miközben egyszerűsítette a teljes tervezési folyamatot.Ezek a fejlesztések nemcsak a tranzisztorszámot több ezerről milliókra növelték egyetlen chipen, hanem kiterjesztették a CMO-k funkcionalitását mind a digitális, mind a vegyes jel VLSI mintákra, felülmúlva a régebbi technológiákat, mint például a tranzisztor-tranzisztor logikát (TTL), annak kiváló sebessége miatt ésAlacsonyabb feszültségű műveletek.

Katalógus

A CMOS technológia megértése

A komplementer fém-oxid-félvezető (CMOS) technológia kifejlesztése óriási szerepet játszott a digitális áramkör kialakításának előmozdításában.Elsősorban a gyorsabb feldolgozás és az alacsonyabb energiafogyasztás igénye miatt alakult ki.A Bipolar Junction Transistor (BJT) eszközökkel ellentétben, amelyek az áram áramlásától függnek, a CMO-k feszültségvezérelt mechanizmusokat használnak.A fő különbség segít csökkenteni az áramot a kapunál, jelentősen csökkentve az energiaveszteséget.Az 1970 -es években a CMOS -t elsősorban a fogyasztói elektronikában, például az elektronikus órákban használták.

A táj az 1980-as években megváltozott a nagyon nagy méretű integrációs (VLSI) technológia megjelenésével, amely több okból is erősen alkalmazta a CMO-kat.A CMO -k kevesebb energiát használnak, jobb zajállóságot kínálnak, és jól teljesítenek különböző hőmérsékleteken és feszültségekben.Ezenkívül egyszerűsíti az áramkör kialakítását, amely növeli a megbízhatóságot és a rugalmasságot.Ezek a tulajdonságok lehetővé tették a CMOS-alapú chipek integrációs sűrűségének óriási növekedését, ezerről több ezer tranzisztorra mozogva chipenként.

Manapság a CMO-k hasznosak mind a digitális, mind a vegyes jelű VLSI minták számára, amelyek felülmúlják a régebbi technológiákat, mint például a tranzisztor-tranzisztor logika (TTL), mivel kiváló sebessége és hatékonysága alacsonyabb feszültségnél van.Széles körben elterjedt használata kiemeli a CMO-k átalakító hatását a modern elektronikára, így ez a technológia minden számára, a mindennapi eszközöktől a fejlett számítási rendszerekig.

1. ábra: Használja az elektromos jellemzők kiegyensúlyozását

A CMO -k működési elve

A komplementer fém-oxid-félvezető (CMOS) technológia alapelve egy pár N-típusú és p-típusú tranzisztorot használ a hatékony logikai áramkörök létrehozásához.Egyetlen bemeneti jel szabályozza ezen tranzisztorok kapcsolási viselkedését, bekapcsolva az egyiket, miközben a másik kikapcsolja.Ez a kialakítás kiküszöböli a más félvezető technológiákban alkalmazott hagyományos pull-up ellenállások szükségességét, egyszerűsítve a tervezést és javítva az energiahatékonyságot.

A CMOS beállítása során az N-típusú MOSFET-ek (fém-oxid-esemicátor mező-effektus-tranzisztorok) egy legördülő hálózatot képeznek, amely a logikai kapu kimenetét összeköti az alacsony feszültségű, általában talajjal (VSS).Ez felváltja a terhelési ellenállásokat a régebbi NMOS logikai áramkörökben, amelyek kevésbé voltak hatékonyak a feszültség átmeneteinek kezelésében és hajlamosabbak az energiaveszteségre.Ezzel szemben a P-típusú MOSFET-ek létrehoznak egy pull-up hálózatot, amely a kimenetet a nagyobb feszültség-ellátással (VDD) köti össze.Ez a kettős hálózati elrendezés biztosítja, hogy a kimenetet stabilan és kiszámíthatóan vezéreljék az adott bemeneteknél.

Amikor egy p-típusú MOSFET kapuja aktiválódik, bekapcsol, miközben a megfelelő N-típusú MOSFET kikapcsol, és fordítva.Ez az interakció nemcsak egyszerűsíti az áramkör architektúráját, hanem javítja az eszköz működési megbízhatóságát és funkcionalitását is.A CMOS technológia előnyös azoknak a felhasználóknak, akiknek megbízható és hatékony elektronikus rendszerekre van szükségük.

2. ábra: Bevezetés a CMOS Tech -be

Az inverter

Az inverter a digitális áramkör kialakításának elsődleges eleme, különösen a bináris számtani és logikai műveletekhez.A fő funkció a bemeneti jel visszafordítása a bináris logikai szinteken.Egyszerűen fogalmazva: a '0' -et alacsony vagy nulla voltnak tekintik, és az '1' magas vagy V volt.Amikor egy inverter 0 V -os bemenetet kap, akkor a V V -okat adja ki, és amikor V Voltot kap, 0 voltot ad ki.

Az igazságtábla általában az inverter funkcióját mutatja be az összes lehetséges bemenet és azok megfelelő kimeneteinek felsorolásával.Ez a táblázat egyértelműen azt mutatja, hogy a '0' bemenet '1' kimenetet eredményez, és az '1' bemenet '0' kimenetet eredményez.Ez az inverziós folyamat szükséges a logikai döntésekhez és az adatfeldolgozáshoz a számítástechnikában és a digitális rendszerekben.

Az inverter működése a bonyolultabb digitális interakciókhoz szükséges.Ez lehetővé teszi a magasabb szintű számítási feladatok zökkenőmentes végrehajtását, és segít hatékonyan kezelni az adatáramlást.

1. táblázat: Inverter igazságtábla

A CMOS inverter

A CMOS Inverter az elektronika hatékonyságának modellje, amelynek egyszerű kialakítása van, amelyek NMOS és PMOS tranzisztorok sorozatban vannak csatlakoztatva.Kapujukat összekapcsolják a bemeneteként, és csatornáik csatlakoznak a kimenet kialakításához.Ez az elrendezés csökkenti az energiaellátás optimalizálását az energiahatékonyság optimalizálásával.

Ha a bemeneti jel magas (az '1' logika), az NMOS tranzisztor bekapcsol, az áramot vezetve és a kimenetet alacsony állapotba húzva (logika '0').Ugyanakkor a PMOS tranzisztor ki van kapcsolva, elkülönítve a pozitív ellátást a kimenetről.Ezzel szemben, ha a bemenet alacsony (logika '0'), az NMOS tranzisztor kikapcsol, és a PMOS tranzisztor bekapcsol, és a kimenetet magas állapotba vezetve (logika '1').

Az NMOS és a PMOS tranzisztorok közötti koordináció lehetővé teszi a frekvenciaváltó számára, hogy a V ariat -ionok bemeneti feszültségének ellenére stabil kimenetet tartson fenn.Annak biztosítása révén, hogy az egyik tranzisztor mindig ki van kapcsolva, amíg a másik be van kapcsolva, a CMOS inverter megőrzi az energiát, és megakadályozza a közvetlen elektromos utat az áramellátástól a talajig.Ez segít megelőzni a felesleges energiaelvezetést.Ez a kettős transzisztor beállítás meghatározza a CMOS inverter elsődleges szerepét a digitális áramkörökben, megbízható logikai inverziót biztosítva minimális energiafogyasztással és magas jel-integritással.

3. ábra: CMOS logikai kapuk

Az NMOS inverter

Az NMOS inverter egyértelmű és hatékony beállítással épül fel.Ebben a konfigurációban a kapu bemenetként szolgál, a lefolyó kimenetként működik, és mind a forrás, mind a szubsztrát megalapozott.Ennek az elrendezésnek a lényege egy továbbfejlesztési típusú N-csatornás MOSFET.Pozitív feszültséget kell alkalmazni a lefolyóra egy terhelési ellenálláson keresztül a megfelelő torzítás megállapításához.

Amikor a kapu bemenete földelve van, és a '0' logikát ábrázolja, a kapunál nincs feszültség.Ez a feszültség hiánya megakadályozza, hogy a vezetőképes csatorna képződjön a MOSFET -ben, így nyitott áramkörré válik, nagy ellenállású.Ennek eredményeként a minimális áram áramlik a csatornából a forrásig, ami a kimeneti feszültséghez a +V -hez közel áll, ami az '1' logikának felel meg.Amikor pozitív feszültséget alkalmaznak a kapura, az elektronokat vonzza a kapu-oxid interfészre, és N-típusú csatornát képez.Ez a csatorna csökkenti a forrás és a lefolyó közötti ellenállást, lehetővé téve az áram áramlását, és a kimeneti feszültséget majdnem talajszintre, vagy a „0” logikára dobja.

Ez a művelet az NMOS Invertert mint hatékony legördülő eszközként mutatja be, amely hasznos a bináris kapcsolási feladatokhoz.Hasznos felismerni, hogy ez a beállítás inkább nagyobb energiát fogyaszt, amikor 'on' állapotban van.A megnövekedett energiafogyasztás az áramellátásból származó folyamatos áramból származik, amikor a tranzisztor aktív, kiemelve az NMOS inverter kialakításának egyik legfontosabb operatív kompromisszumát.

A PMOS inverter

4. ábra: CMOS ICS alapjai

A PMOS inverter hasonlóan az NMOS inverterhez, de fordított elektromos csatlakozásokkal van felépítve.Ebben a beállításban a PMOS tranzisztort használják, pozitív feszültséggel, mind a szubsztrátra, mind a forrásra, míg a terhelési ellenállás a talajhoz van csatlakoztatva.

Ha a bemeneti feszültség magas AT +V ('1' logika), a kapu-forrás-feszültség nullá válik, a tranzisztor kikapcsolása.Ez nagy ellenállású utat hoz létre a forrás és a lefolyó között, miközben a kimeneti feszültséget a '0' logikánál alacsonyan tartja.

Ha a bemenet 0 volt (logika '0'), a kapu-forrás-feszültség negatívvá válik a forráshoz képest.Ez a negatív feszültség feltölti a kapu kondenzátort, megfordítva a félvezető felületét az N-típusúról a P-típusra, és vezetőképes csatornát képez.Ez a csatorna drasztikusan csökkenti a forrás és a lefolyó közötti ellenállást, lehetővé téve az áramnak, hogy az áram szabadon folyjon a forrásból a csatornába.Ennek eredményeként a kimeneti feszültség a +V tápfeszültség közelében emelkedik, ami megfelel az '1' logikának.

Ilyen módon a PMOS tranzisztor pull-up eszközként működik, amely aktiválásakor alacsony ellenállású utat biztosít a pozitív tápfeszültséghez.Ez teszi a PMOS invertert elsődleges komponenssé a stabil és megbízható logikai inverzió létrehozásában.Biztosítja, hogy a kimenetet szükség esetén erősen a magas állapotba vezetik.

A CMO -k keresztmetszete

5. ábra: A CMOS kapu keresztmetszete

A CMOS chip egyesíti az NMO -k és a PMOS tranzisztorokat egyetlen szilícium -szubsztráton, kompakt és hatékony inverter áramkört képezve.A beállítás keresztmetszete megtekintése megmutatja ezen tranzisztorok stratégiai elhelyezését, a funkcionalitás optimalizálását és az elektromos interferencia csökkentését.

A PMOS tranzisztor be van ágyazva az N-típusú szubsztrátba, míg az NMOS tranzisztor egy külön P-típusú területre helyezkedik el, az úgynevezett P-well.Ez az elrendezés biztosítja, hogy minden tranzisztor optimális körülmények között működjön.A P-Well az NMOS tranzisztor működési alapjaként működik, és elkülöníti az NMO-k és a PMOS tranzisztorok elektromos útjait, megakadályozva az interferenciát.Ez az elszigeteltség hasznos a jel integritásának és a CMOS áramkör teljes teljesítményének fenntartásában.

Ez a konfiguráció lehetővé teszi a chip számára, hogy gyorsan és megbízhatóan váltson a magas és az alacsony logikai állapotok között.Ha mindkét típusú tranzisztor egy egységbe integrálódik, a CMOS kialakítása kiegyensúlyozza az elektromos tulajdonságokat, ami stabilabb és hatékonyabb áramköri műveleteket eredményez.Ez az integráció csökkenti a méretet és javítja a modern elektronikus eszközök teljesítményét, bemutatva a CMOS technológia mögött meghúzódó fejlett mérnököt.

A CMOS inverter teljesítményeloszlása

A CMOS technológia egyik legfontosabb jellemzője az energiaeloszlás hatékonysága, különösen statikus vagy tétlen állapotokban.Ha inaktív, a CMOS inverter nagyon kevés energiát vonz, mivel a "OFF" tranzisztor csak minimális áramot szivárog.Ez a hatékonyság hasznos az energiahulladék fenntartásában és a hordozható eszközök akkumulátorának hosszának meghosszabbításában.

6. ábra: CMOS érzékelők- ipari kamerákhoz

A dinamikus működés során, amikor a frekvenciaváltó bekapcsol, az energiaeloszlás ideiglenesen növekszik.Ez a tüske azért fordul elő, mert egy rövid pillanatra mind az NMO-k, mind a PMOS tranzisztorok részben bekapcsolódnak, és rövid életű közvetlen utat hoznak létre az áramlás áramlásához a tápfeszültségből a földre.Ennek az átmeneti növekedésnek ellenére a CMOS inverter általános energiafogyasztása sokkal alacsonyabb, mint a régebbi technológiák, mint például a tranzisztor-tranzisztor logika (TTL).

Ez a tartós alacsony teljesítményű felhasználás a különböző működési módokon keresztül javítja a CMOS áramkörök energiahatékonyságát.Ideálissá tétele olyan alkalmazásokhoz, ahol korlátozott az energiaellátás, például a mobil eszközök és más akkumulátorral működő technológiák.

A CMOS inverterek alacsony egyensúlyi állapotú húzása kevesebb hőt generál, ami csökkenti az eszköz alkatrészeinek termikus feszültségét.Ez a csökkentett hőtermelés meghosszabbíthatja az elektronikus eszközök élettartamát, így a CMOS technológia kulcsfontosságú tényező a fenntarthatóbb és költséghatékonyabb elektronikus rendszerek megtervezésében.

A DC feszültségátviteli jellemzője a CMOS inverterre

7. ábra: Optimalizálja az áramköröket az energia és a sebesség hatékonysága érdekében

A CMOS inverter DC feszültségátadási tulajdonsága (VTC) elsődleges eszköz a viselkedésének megértéséhez.Megmutatja a bemeneti és a kimeneti feszültségek közötti kapcsolatot statikus (nem kapcsoló) körülmények között, egyértelmű képet nyújtva az inverter teljesítményéről a különböző bemeneti szintek között.

Egy jól megtervezett CMOS inverterben, ahol az NMO-k és a PMOS tranzisztorok kiegyensúlyozottak, a VTC szinte ideális.Szimmetrikus, és éles átmenetet mutat a magas és az alacsony kimeneti feszültségek között egy meghatározott bemeneti feszültségküszöbön.Ez a küszöb az a pont, ahol az inverter az egyik logikai állapotról a másikra vált, gyorsan változik az '1' logikáról '0 -ra, és fordítva.

A VTC pontossága hasznos a digitális áramkörök működési feszültségtartományának meghatározásához.Meghatározza azokat a pontos pontokat, amikor a kimenet megváltoztatja az állapotokat, biztosítva, hogy a logikai jelek egyértelműek és következetesek legyenek, és csökkentsék a V -ariat -i feszültség miatti hibák kockázatát.

A CMOS technológia előnyei

A CMOS technológia alacsony statikus energiafogyasztást kínál.Hasznosabbá teszi az elektronikus alkalmazásokhoz, különösen az akkumulátorral működő eszközökben, mivel csak a logikai állapot tranzakciók során használja fel az energiát.

A CMOS áramkörök kialakítása természetéből adódóan egyszerűsíti a bonyolultságot, lehetővé téve a logikai funkciók kompakt, nagy sűrűségű elrendezését egyetlen chipen.Ennek a funkciónak a mikroprocesszorok és a memória chipek javításához szükséges, javítva az operatív képességeket anélkül, hogy a szilícium fizikai méretét kibővítené.Ez a sűrűség előnye lehetővé teszi az egységenkénti nagyobb feldolgozási teljesítményt, megkönnyítve a technológiai miniatürizálás és a rendszer integrációjának fejlődését.

A CMOS Technology magas zajjogi immunitása csökkenti az interferenciát, biztosítva a CMOS-alapú rendszerek stabil és megbízható működését az elektronikus zajra hajlamos környezetben.Az alacsony energiafogyasztás, a csökkentett bonyolultság és a robusztus zaj immunitás kombinációja megerősíti a CMO -kat mint az elektronika alapvető technológiáját.Támogatja az alkalmazások széles skáláját, az egyszerű áramköröktől a komplex digitális számítástechnikai architektúrákig.

8. ábra: CMOS technológiai diagram

A CMOS technológia áttekintése

A CMOS technológia a modern digitális áramköri tervezés sarokköve, mind az NMO -k, mind a PMOS tranzisztorok felhasználásával egyetlen chipen.Ez a kettős transzisztor megközelítés növeli a hatékonyságot a kiegészítő váltás révén, és csökkenti az energiafogyasztást, ami előnyös a mai energiatudatos világban.

A CMOS -áramkörök erőssége alacsony energiaigényükből és kiváló zaj immunitásukból származik.Ezek a tulajdonságok hasznosak egy megbízható és összetett digitális integrált áramkör létrehozásához.A CMOS technológia hatékonyan ellenzi az elektromos interferenciát, javítva az elektronikus rendszerek stabilitását és teljesítményét.

A CMO -k alacsony statikus energiafogyasztása és megbízható működése miatt sok alkalmazás számára előnyben részesített választás.A fogyasztói elektronikától a csúcskategóriás számítástechnikai rendszerekig a CMOS technológia alkalmazkodóképessége és hatékonysága továbbra is az innovációt ösztönzi az elektronikai iparban.Széles körű felhasználása kiemeli annak fontosságát a digitális technológia előmozdításában.

Következtetés

A CMOS technológia az innováció paragonjaként szolgál a digitális áramkör -tervezés területén, folyamatosan elősegíti az elektronika fejlődését az alapvető eszközökről az összetett számítási rendszerekbe.Az NMO-k és a PMO-k kettős tranzisztor-beállítása egyetlen chipen lehetővé tette a hatékony váltást, a minimális teljesítmény-eloszlást és a nagyfokú zaj immunitást, így a CMO-k hasznossá teszik a sűrű, integrált áramkörök létrehozásában.Az energiafogyasztás csökkentése a teljesítmény feláldozása nélkül bebizonyosodott a hordozható, akkumulátorral működő eszközök korszakában.A CMOS technológia robusztussága a különféle operatív és környezeti feltételek kezelésében kibővítette alkalmazásait számos területen.Ahogy tovább fejlődik, a CMOS technológia elősegítheti az elektronikus tervezés jövőbeli tájának kialakítását.Biztosítja, hogy T maradjon a technológiai innováció élvonalában, és továbbra is megfelel az elektronikus eszközök energiahatékonyságának és miniatürizálásának növekvő igényeinek.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Hogyan működik a CMO -k a digitális elektronikában?

A komplementer fém-oxid-félvezető (CMOS) technológia alapvető a digitális elektronikában, elsősorban azért, mert hatékonyan szabályozza az eszközök villamos áramlását.A gyakorlatban a CMOS áramkör kétféle tranzisztorot tartalmaz: NMO -k és PMO -k.Ezek úgy vannak elrendezve, hogy biztosítsák, hogy csak az egyik a tranzisztorok végezjenek egyszerre, ami drasztikusan csökkenti az áramkör által fogyasztott energiát.

Amikor egy CMOS áramkör működik, az egyik tranzisztor blokkolja az áramot, míg a másik lehetővé teszi.Például, ha az '1' (nagyfeszültség) digitális jele bemenetet ad be egy CMOS inverterbe, akkor az NMOS tranzisztor bekapcsol (vezet), és a PMOS kikapcsol (blokkolja az áramot), ami alacsony feszültséget vagy „0” -t eredményez.a kimenetnél.Ezzel szemben a '0' bemenet aktiválja a PMOS -t és deaktiválja az NMO -kat, ami nagy teljesítményt eredményez.Ez a váltás biztosítja, hogy a minimális energiát pazarolják, így a CMO -k ideálissá válnak olyan eszközökhöz, mint az okostelefonok és a számítógépek, ahol az akkumulátor hatékonysága szükséges.

2. Mi a különbség a MOSFET és a CMOS között?

A MOSFET (fém-oxid-félvezető mező-effektus tranzisztor) egy olyan tranzisztor, amelyet elektronikus jelek váltására használnak.A CMO -k viszont egy olyan technológiára utalnak, amely két komplementer típusú MOSFET -t (NMOS és PMOS) használ a digitális logikai áramkörök létrehozásához.

Az elsődleges megkülönböztetés alkalmazásukban és hatékonyságában rejlik.Egyetlen MOSFET kapcsolóként vagy erősítheti a jeleket, folyamatos teljesítményáramot igényel, és potenciálisan több hőt generálhat.A CMO -k mind az NMO -k, mind a PMOS tranzisztorok integrálásával váltakoznak az egyik vagy a másik használata között, csökkentve a szükséges energiát és a hőt.Ez a CMO -k számára megfelelőbbé teszi a modern elektronikus eszközökhöz, amelyek nagy hatékonyságot és tömörséget igényelnek.

3. Mi történik, ha törli a CMO -kat?

A CMO -k tisztítása egy számítógépen visszaállítja a BIOS (alapvető bemeneti/kimeneti rendszer) beállításait a gyári alapértelmezésekhez.Ez gyakran olyan hardver vagy rendszerindítási problémák elhárítására történik, amelyek a helytelen vagy sérült BIOS beállítások miatt felmerülhetnek.

A CMO -k törléséhez általában egy speciális csapot rövid az alaplapon egy jumper segítségével, vagy néhány percig eltávolíthatja a CMOS akkumulátort.Ez a művelet az illékony memóriát öblíti a BIOS -ban, törölve minden olyan konfigurációt, mint a rendszerindítási sorrend, a rendszeridő és a hardverbeállítások.A CMOS törlése után előfordulhat, hogy a BIOS beállításait a számítási igények vagy a hardver kompatibilitása alapján kell újrakonfigurálnia.

4. Mi fogja cserélni a CMO -kat?

Míg a CMOS technológia továbbra is elterjedt, a folyamatban lévő kutatások célja olyan alternatívák fejlesztése, amelyek potenciálisan nagyobb hatékonyságot, sebességet és integrációt kínálhatnak, mivel a technológia tovább csökken.

A grafén tranzisztorokat kivételes elektromos tulajdonságaik, például a magasabb elektronmobilitás, mint a szilícium, feltárják, ami gyorsabb feldolgozási sebességhez vezethet.

Használja a kvantumbiteket, amelyek egyszerre léteznek több állapotban, exponenciális sebességnövekedést kínálva a meghatározott számításokhoz.

Spintronics: Az elektronok centrifugálását, nem pedig a töltést használja az adatok kódolására, potenciálisan csökkentve az energiafogyasztást és az adatfeldolgozási képességek növelését.

Noha ezek a technológiák ígéretesek, a CMO -ról a digitális elektronika új szabványára való áttérés megköveteli a technikai kihívások leküzdését és az új gyártási technológiákba történő jelentős beruházásokat.Mostanáig a CMO-k továbbra is a legpraktikusabb és legszélesebb körben alkalmazott technológia a digitális áramkör kialakításában, megbízhatósága és költséghatékonysága miatt.