En introduksjon til CMOS -teknologi
2024-07-09 6606

Utviklingen av digital elektronikk har blitt formet av utviklingen av komplementær metall-oksid-halvleder (CMOS) -teknologi.CMOS -teknologien har fremkomst som svar på behovet for raskere prosesseringshastigheter og mer effektivt strømforbruk, og har revolusjonert kretsdesign med sin innovative tilnærming til å håndtere kraft og signalintegritet.I motsetning til de bipolare veikryss-transistorene (BJT) -enhetene, som er avhengig av strømstrøm, bruker CMOS-enheter spenningskontrollerte mekanismer som reduserer portstrømmen betydelig, og dermed minimerer strømtapet.Denne teknologien fikk først trekkraft i forbrukerelektronikk på 1970-tallet, for eksempel i elektroniske klokker, men det var fremkomsten av veldig stor skala-integrasjon (VLSI) på 1980-tallet som virkelig sementerte posisjonen til CMOS som en hjørnestein i moderne elektronikk.ERA var vitne til CMOS -teknologi som forbedret kretsesikkerhet, støymotstand og ytelse på tvers av varierende temperaturer og spenninger, samtidig som den generelle designprosessen forenkler.Disse forbedringene økte ikke bare transistorantallet fra tusenvis til millioner på en enkelt brikke, men utvidet også funksjonaliteten til CMOs til både digital og blandet signal VLSI-design, og overgikk eldre teknologier som transistor-transistor logikk (TTL) på grunn av sin overlegne hastighet oglavere spenningsoperasjoner.

Katalog

Forståelse av CMOS -teknologi

Utviklingen av komplementær metall-oksyd-halvleder (CMOS) -teknologi har vært stor del i å fremme digital kretsdesign.Det fremsto hovedsakelig på grunn av behovet for raskere prosessering og lavere energiforbruk.I motsetning til Bipolar Junction Transistor-enheter (BJT), som er avhengig av strømstrøm, bruker CMOS spenningskontrollerte mekanismer.Den største forskjellen bidrar til å redusere strømmen ved porten, og kutter ned krafttapet betydelig.På 1970 -tallet ble CMOS hovedsakelig brukt i forbrukerelektronikk, for eksempel elektroniske klokker.

Landskapet endret seg på 1980-tallet med ankomsten av veldig storskala integrasjon (VLSI) teknologi, som sterkt tok i bruk CMOs av flere grunner.CMOS bruker mindre kraft, tilbyr bedre støymotstand og presterer godt over forskjellige temperaturer og spenninger.Det forenkler også kretsdesign som øker påliteligheten og fleksibiliteten.Disse funksjonene tillot en enorm økning i integrasjonstettheten til CMOS-baserte brikker, og beveget seg fra tusenvis til millioner transistorer per brikke.

I dag er CMOS nyttig for både digitale og blandede signal VLSI-design, og overgår eldre teknologier som transistor-transistor logikk (TTL) på grunn av sin overlegne hastighet og effektivitet ved lavere spenninger.Den utbredte bruken fremhever CMOSs ​​transformative innvirkning på moderne elektronikk, noe som gjør det til den teknologien for alt fra hverdagslige dingser til avanserte beregningssystemer.

Figur 1: Bruk til å balansere elektriske egenskaper

Arbeidsprinsipp for CMOS

Kjerneprinsippet for komplementær metall-oksid-halvleder (CMOS) -teknologi bruker et par n-type og P-type transistorer for å lage effektive logiske kretsløp.Et enkelt inngangssignal styrer koblingsatferden til disse transistorene, og slår på en mens du slår den andre av.Denne designen eliminerer behovet for tradisjonelle opptrekksmotstander som brukes i andre halvlederteknologier, forenkler design og forbedrer energieffektiviteten.

I et CMOS-oppsett danner MOSFET-er av N-type (metall-oksid-halvlederfelt-effekt-transistorer) et nedtrekksnettverk som forbinder utgangen fra logikkporten til en lavspenningsforsyning, vanligvis jord (VSS).Dette erstatter belastningsmotstandene i eldre NMOS -logiske kretsløp, som var mindre effektive til å håndtere spenningsoverganger og mer utsatt for strømtap.Motsatt oppretter P-type MOSFET-er et opptrekksnettverk som kobler utgangen til en høyere spenningsforsyning (VDD).Dette arrangementet med dobbelt nettverk sikrer at utgangen blir kontrollert stabilt og forutsigbart for en gitt inngang.

Når porten til en P-type MOSFET er aktivert, slår den på mens den tilsvarende MOSFET av N-typen slås av, og omvendt.Dette samspillet forenkler ikke bare kretsarkitekturen, men forbedrer også den operative påliteligheten og funksjonaliteten til enheten.CMOS -teknologi er gunstig for brukere som trenger pålitelige og effektive elektroniske systemer.

Figur 2: Introduksjon til CMOS Tech

Omformeren

Omformeren er et primært element i digital kretsdesign, spesielt for binære aritmetiske og logiske operasjoner.Hovedfunksjonen er å reversere inngangssignalet i binære logiske nivåer.Enkelt sagt regnes en '0' som lav eller null volt, og en '1' er høy eller V volt.Når en omformer mottar en inngang på 0 volt, sendes den ut v volt, og når den mottar v volt, sendes den ut 0 volt.

En sannhetstabell demonstrerer typisk omformerens funksjon ved å liste opp alle mulige innganger og deres tilsvarende utganger.Denne tabellen viser tydelig at en inngang på '0' produserer en utgang på '1', og en inngang på '1' resulterer i en utgang på '0'.Denne inversjonsprosessen er nødvendig for logiske beslutninger og databehandling i databehandling og digitale systemer.

Omformerens drift er nødvendig for mer komplekse digitale interaksjoner.Det muliggjør jevn utførelse av beregningsoppgaver på høyere nivå og hjelper til med å håndtere dataflyt i kretsløp effektivt.

Tabell 1: Omformer sannhetstabell

CMOS -omformeren

CMOS -omformeren er en modell for effektivitet i elektronikk, med en enkel design med NMOS- og PMOS -transistorer koblet i serie.Portene deres er bundet sammen som inngangen, og avløpene deres er koblet til å danne utgangen.Dette arrangementet reduserer kraftavledningen, og optimaliserer kretsen for energieffektivitet.

Når inngangssignalet er høyt (logikk '1'), slås NMOS -transistoren på, gjennomfører strøm og drar utgangen til en lav tilstand (logikk '0').Samtidig er PMOS -transistoren av, og isolerer den positive tilførselen fra utgangen.Motsatt, når inngangen er lav (logikk '0'), slår NMOS -transistoren av, og PMOS -transistoren slår på, og driver utgangen til en høy tilstand (logikk '1').

Denne koordinasjonen mellom NMOS- og PMOS -transistorene lar omformeren opprettholde stabil utgang til tross for inngangsspenning V ariat -ioner.Ved å sikre at den ene transistoren alltid er av mens den andre er på, bevarer CMOS -omformeren kraft og forhindrer en direkte elektrisk vei fra strømforsyningen til bakken.Det vil bidra til å forhindre unødvendig strømavløp.Dette dual-transistor-oppsettet definerer CMOS-omformerens primære rolle i digitale kretsløp, og gir pålitelig logisk inversjon med minimalt energiforbruk og høy signalintegritet.

Figur 3: CMOS -logikkporter

NMOS -omformeren

NMOS -omformeren er bygget med et enkelt og effektivt oppsett.I denne konfigurasjonen fungerer porten som inngangen, avløpsfunksjonene som utgangen, og både kilden og underlaget er jordet.Kjernen i dette arrangementet er en N-kanals MOSFET-type.En positiv spenning påføres avløpet gjennom en lastmotstand for å etablere riktig forspenning.

Når portinngangen er jordet, som representerer en logikk '0', er ingen spenning til stede ved porten.Denne mangelen på spenning forhindrer at en ledende kanal dannes i MOSFET, noe som gjør den til en åpen krets med høy motstand.Som et resultat strømmer minimal strøm fra avløpet til kilden, noe som får utgangsspenningen til å stige nær +V, som tilsvarer en logikk '1'.Når en positiv spenning påføres porten, tiltrekker den elektroner til portoksydgrensesnittet, og danner en N-type kanal.Denne kanalen reduserer motstanden mellom kilden og avløpet, slik at strømmen kan strømme og slippe utgangsspenningen til nesten bakkenivå, eller logikk '0'.

Denne operasjonen viser NMOS-omformeren som en effektiv nedtrekksapparat, nyttig for binære bytteoppgaver.Det er nyttig å erkjenne at dette oppsettet har en tendens til å konsumere mer makt når det er i 'på' tilstand.Det økte strømforbruket oppstår fra den kontinuerlige strømmen som strømmer fra strømforsyningen til bakken når transistoren er aktiv, og fremhever en viktig operativ avveining i NMOS-omformerdesignet.

PMOS -omformeren

Figur 4: CMOS ICS Basics

PMOS -omformeren er strukturert på samme måte som NMOS -omformeren, men med reverserte elektriske tilkoblinger.I dette oppsettet brukes en PMOS -transistor med en positiv spenning påført både underlaget og kilden, mens lastmotstanden er koblet til bakken.

Når inngangsspenningen er høy ved +V (logikk '1'), blir gate-til-kilde-spenningen null, og slår transistoren 'av'.Dette skaper en høy motstandsbane mellom kilden og avløpet, og holder utgangsspenningen lav ved logikken '0'.

Når inngangen er ved 0 volt (logikk '0'), blir gate-til-kildekildespenningen negativ i forhold til kilden.Denne negative spenningen lader portkondensatoren, inverterer halvlederoverflaten fra N-type til P-type og danner en ledende kanal.Denne kanalen senker motstanden mellom kilden og avløpet drastisk, slik at strømmen kan strømme fritt fra kilden til avløpet.Som et resultat stiger utgangsspenningen nær forsyningsspenningen +V, tilsvarende en logikk '1'.

På denne måten fungerer PMOS-transistoren som en pull-up-enhet, som gir en lav motstandsbane til den positive forsyningsspenningen når den aktiveres.Dette gjør PMOS -omformeren til en primær komponent for å skape stabil og pålitelig logisk inversjon.Det sikrer at utgangen er sterkt drevet til den høye tilstanden når det er nødvendig.

Tverrsnitt av en CMOS

Figur 5: Tverrsnitt av CMOS -port

En CMOS -brikke kombinerer NMOS- og PMOS -transistorer på et enkelt silisiumsubstrat, og danner en kompakt og effektiv omformerkrets.Å se et tverrsnitt av dette oppsettet viser strategisk plassering av disse transistorene, optimalisere funksjonalitet og redusere elektrisk interferens.

PMOS-transistoren er innebygd i N-type underlag, mens NMOS-transistoren er plassert i et eget P-type område kalt P-Well.Denne ordningen sikrer at hver transistor opererer under optimale forhold.P-Well fungerer som den operative bakken for NMOS-transistoren og isolerer de elektriske banene til NMOS- og PMOS-transistorene, og forhindrer interferens.Denne isolasjonen er nyttig for å opprettholde signalintegritet og generell CMOS -kretsytelse.

Denne konfigurasjonen lar brikken veksle mellom høye og lave logiske tilstander raskt og pålitelig.Ved å integrere begge typer transistorer i en enhet, balanserer CMOS -designen sine elektriske egenskaper, noe som fører til mer stabile og effektive kretsoperasjoner.Denne integrasjonen reduserer størrelsen og forbedrer ytelsen til moderne elektroniske enheter, og viser frem den avanserte prosjekteringen bak CMOS -teknologi.

Kraftsing av en CMOS -omformer

Et sentralt trekk ved CMOS -teknologi er dens effektivitet i kraftdissipasjon, spesielt i statiske eller ledige tilstander.Når den er inaktiv, trekker en CMOS -omformer veldig lite kraft siden "av" -transistoren bare lekker en minimal strøm.Denne effektiviteten er nyttig for å opprettholde energiavfallet og forlenge batterilevetiden til bærbare enheter.

Figur 6: CMOS-sensorer- for industrikameraer

Under dynamisk drift, når omformeren bytter tilstander, øker strømavledningen midlertidig.Denne piggen oppstår fordi både NMOS- og PMOS-transistorene i et kort øyeblikk er delvis på, og skaper en kortvarig direkte bane for strømstrøm fra forsyningsspenningen til bakken.Til tross for denne forbigående økningen, forblir det totale gjennomsnittlige strømforbruket av en CMOS-omformer mye lavere enn for eldre teknologier som transistor-transistor logikk (TTL).

Denne vedvarende bruken av lav effekt på tvers av forskjellige driftsmodus forbedrer energieffektiviteten til CMOS -kretser.Gjør det ideelt for applikasjoner der strømtilgjengeligheten er begrenset, for eksempel mobile enheter og andre batteridrevne teknologier.

Den lave stødige strømmen av CMOS-omformere genererer mindre varme som reduserer termisk belastning på enhetskomponenter.Denne reduserte varmeproduksjonen kan forlenge levetiden til elektroniske enheter, noe som gjør CMOS-teknologi til en nøkkelfaktor for å utforme mer bærekraftige og kostnadseffektive elektroniske systemer.

DC spenningsoverføringskarakteristikk for CMOS -omformeren

Figur 7: Optimaliser kretsløp for kraft- og hastighetseffektivitet

DC -spenningsoverføringskarakteristikken (VTC) til en CMOS -omformer er et primært verktøy for å forstå atferden.Det viser forholdet mellom inngangs- og utgangsspenninger i statiske (ikke-bytte) forhold, og gir et klart syn på omformerens ytelse på tvers av forskjellige inngangsnivåer.

I en godt designet CMOS-omformer, der NMOS- og PMOS-transistorene er balanserte, er VTC nesten ideell.Den er symmetrisk og har en skarp overgang mellom høye og lave utgangsspenninger ved en spesifikk inngangsspenningsterskel.Denne terskelen er poenget der omformeren bytter fra en logikktilstand til en annen, og skifter raskt fra logikk '1' til '0' og omvendt.

Presisjonen til VTC er nyttig for å bestemme driftsspenningsområdene for digitale kretsløp.Den identifiserer de nøyaktige punktene der utgangen vil endre tilstander, og sikre at logiske signaler er klare og konsistente, og redusere risikoen for feil på grunn av spenning V ariat -ioner.

Fordeler med CMOS -teknologi

CMOS -teknologi tilbyr lavt statisk strømforbruk.Gjør det mer nyttig for elektroniske applikasjoner, spesielt i batteridrevne enheter, da den bare bruker energi under logiske tilstandstransaksjoner.

Utformingen av CMOS-kretser forenkler iboende kompleksitet, slik at et kompakt, høy tetthetsarrangement av logiske funksjoner på en enkelt brikke.Denne funksjonen er nødvendig for å forbedre mikroprosessorer og minnebrikker, forbedre driftsevnen uten å utvide den fysiske størrelsen på silisiumet.Denne tetthetsfordelen gir mulighet for mer prosesseringskraft per arealenhet, noe som letter fremskritt innen teknologiminiatyrisering og systemintegrasjon.

CMOS-teknologiens høye støyimmunitet reduserer interferens, og sikrer stabil og pålitelig drift av CMOS-baserte systemer i elektroniske støyutsatte miljøer.Kombinasjonen av lavt strømforbruk, redusert kompleksitet og robust støyimmunitet stivner CMOs som en grunnleggende teknologi innen elektronikk.Den støtter et bredt spekter av applikasjoner, fra enkle kretsløp til komplekse digitale databehandlingsarkitekturer.

Figur 8: CMOS -teknologikjema

En oppsummering av CMOS -teknologi

CMOS -teknologi er en hjørnestein i moderne digital kretsdesign, og bruker både NMOS- og PMOS -transistorer på en enkelt brikke.Denne dobbelttransistoriske tilnærmingen forbedrer effektiviteten gjennom komplementær bytte og reduserer strømforbruket, noe som er gunstig i dagens energibevisste verden.

Styrken til CMOS -kretser kommer fra deres lave effektbehov og utmerket støyimmunitet.Disse egenskapene er nyttige for å skape en pålitelig og kompleks digital integrert krets.CMOS -teknologi motstår effektivt elektrisk interferens, og forbedrer stabiliteten og ytelsen til elektroniske systemer.

CMOSs ​​lave statiske strømforbruk og pålitelig drift gjør det til det foretrukne valget for mange applikasjoner.Fra forbrukerelektronikk til high-end datasystemer, fortsetter CMOS-teknologiens tilpasningsevne og effektivitet å drive innovasjon i elektronikkindustrien.Den utbredte bruken fremhever viktigheten av å fremme digital teknologi.

Konklusjon

CMOS -teknologi står som en paragon av innovasjon innen digital kretsdesign, og driver kontinuerlig fremme av elektronikk fra grunnleggende dingser til komplekse beregningssystemer.Dobbelt-transistor-oppsettet av NMOs og PMO-er på en enkelt brikke tillatt for effektiv bytte, minimal kraftdissipasjon og en høy grad av støyimmunitet, noe som gjør CMOs nyttig i opprettelsen av tette, integrerte kretsløp.Å redusere strømforbruket uten å ofre ytelsen har vist seg i en tid med bærbare, batteridrevne enheter.Robustheten til CMOS -teknologi i håndtering av forskjellige operasjonelle og miljøforhold har utvidet applikasjonene sine på tvers av mange domener.Når det fortsetter å utvikle seg, kan CMOS -teknologi bidra til å forme det fremtidige landskapet for elektronisk design.Det sikrer at det forblir i spissen for teknologisk innovasjon og fortsetter å oppfylle de økende kravene til energieffektivitet og miniatyrisering i elektroniske enheter.

Ofte stilte spørsmål [FAQ]

1. Hvordan fungerer CMO -er i digital elektronikk?

Komplementær metall-oksid-halvleder (CMOS) -teknologi er grunnleggende innen digital elektronikk, først og fremst fordi den effektivt kontrollerer strømmen av elektrisitet i enheter.I praksis inkluderer en CMOS -krets to typer transistorer: NMOS og PMOS.Disse er ordnet for å sikre at bare en av transistorene leder om gangen, noe som drastisk reduserer energien som konsumeres av kretsen.

Når en CMOS -krets er i drift, blokkerer den ene transistoren strøm mens den andre lar den passere.For eksempel, hvis et digitalt signal fra '1' (høyspenning) blir lagt inn i en CMOS -omformer, slår NMOS -transistoren på (leder), og PMOS slår seg av (blokkerer strøm), noe som resulterer i en lav spenning eller '0'ved utgangen.Motsatt aktiverer en inngang på '0' PMO -ene og deaktiverer NMO -ene, noe som resulterer i høy effekt.Denne bryteren sikrer at minimal strøm blir bortkastet, noe som gjør CMO -er ideell for enheter som smarttelefoner og datamaskiner der det kreves batteriets effektivitet.

2. Hva er forskjellen mellom MOSFET og CMOS?

MOSFET (metall-oksid-halvlederfelt-effekt-transistor) er en type transistor som brukes til å bytte elektroniske signaler.CMO -er viser derimot til en teknologi som bruker to komplementære typer MOSFET -er (NMOs og PMOS) for å lage digitale logiske kretsløp.

Det primære skillet ligger i deres anvendelse og effektivitet.En enkelt MOSFET kan fungere som en bryter eller forsterke signaler, og krever en kontinuerlig strøm av strøm og potensielt generere mer varme.CMO -er, ved å integrere både NMOS- og PMOS -transistorer, veksler mellom å bruke det ene eller det andre, redusere kraften som kreves og varme generert.Dette gjør CMOs mer egnet for moderne elektroniske enheter som krever høy effektivitet og kompakthet.

3. Hva skjer hvis du rydder CMOS?

Å rydde CMOS på en datamaskin tilbakestiller BIOS (Basic Input/Output System) -innstillingene til fabrikkens mislighold.Dette gjøres ofte for å feilsøke maskinvare eller oppstartproblemer som kan oppstå på grunn av feil eller ødelagte BIOS -innstillinger.

For å fjerne CMO -er, korter du vanligvis et spesifikt par pinner på hovedkortet ved hjelp av en genser, eller fjerner CMOS -batteriet i noen minutter.Denne handlingen skyller det flyktige minnet i BIOS, og sletter eventuelle konfigurasjoner som oppstartsordre, systemtid og maskinvareinnstillinger.Etter å ha tømt CMOS, kan det hende du må konfigurere BIOS -innstillingene på nytt i henhold til databehandlingsbehov eller maskinvarekompatibilitet.

4. Hva vil erstatte CMOs?

Mens CMOS -teknologi fremdeles er utbredt, har pågående forskning som mål å utvikle alternativer som potensielt kan tilby større effektivitet, hastighet og integrasjon når teknologien skaleres videre.

Grafentransistorer blir undersøkt for sine eksepsjonelle elektriske egenskaper, for eksempel høyere elektronmobilitet enn silisium, noe som kan føre til raskere prosesseringshastigheter.

Bruker kvantebiter som kan eksistere i flere tilstander samtidig, og tilbyr eksponentiell hastighetsøkning for spesifikke beregninger.

Spintronics: Bruker spinnet av elektroner, snarere enn ladningen, for å kode data, og potensielt redusere strømforbruket og øke databehandlingsmulighetene.

Mens disse teknologiene er lovende, vil overgang fra CMOS til en ny standard innen digital elektronikk kreve å overvinne tekniske utfordringer og betydelige investeringer i nye produksjonsteknologier.Per nå er CMOS fortsatt den mest praktiske og mye brukte teknologien innen digital kretsdesign på grunn av dens pålitelighet og kostnadseffektivitet.