Kas yra CMOS: darbo principas ir jo programos

CMOS terminas reiškia „Papildomas metalo oksido puslaidininkis“. Tai yra viena iš populiariausių technologijų kompiuterių lustų projektavimo pramonėje ir šiandien plačiai naudojama formavimui integruoti grandynai daugelyje ir įvairių programų. Šiandienos kompiuterių atmintinės, procesoriai ir mobilieji telefonai naudojasi šia technologija dėl kelių pagrindinių privalumų. Ši technologija naudoja tiek P, tiek N kanalų puslaidininkinius įtaisus. Viena populiariausių šiandien prieinamų MOSFET technologijų yra papildoma MOS arba CMOS technologija. Tai yra dominuojanti puslaidininkių technologija mikroprocesoriams, mikrovaldiklių lustams, tokioms atmintims kaip RAM, ROM, EEPROM ir konkrečios programos integruoti grandynai (ASIC).

Įvadas į MOS technologiją

IC konstrukcijoje pagrindinis ir svarbiausias komponentas yra tranzistorius. Taigi MOSFET yra vienos rūšies tranzistorius, naudojamas daugelyje programų. Šio tranzistoriaus formavimas gali būti atliekamas kaip sumuštinis, įtraukiant puslaidininkinį sluoksnį, paprastai plokštelę, gabalėlį iš vieno silicio kristalo, silicio dioksido sluoksnį ir metalinį sluoksnį. Šie sluoksniai leidžia suformuoti tranzistorius puslaidininkių medžiagoje. Geras izoliatorius, kaip „Sio2“, turi ploną sluoksnį, kurio storis yra šimtas.

Transistoriai, kurių vartų sekcijoms mes naudojame ne metalą, o polikristalinį silicį (poli). FET polisilicio vartus galima pakeisti beveik naudojant metalinius vartus didelio masto IC. Kartais tiek polisilicio, tiek metaliniai FET vadinami IGFET, o tai reiškia izoliuotus vartų FET, nes po vartais esantis Sio2 yra izoliatorius.

CMOS (papildomas metalo oksido puslaidininkis)

Pagrindinis CMOS pranašumas prieš NMOS o BIPOLAR technologija yra daug mažesnis energijos išsklaidymas. Skirtingai nuo NMOS ar BIPOLAR grandinių, papildoma MOS grandinė beveik neišskleidžia statinės galios. Maitinimas išsisklaido tik tuo atveju, jei grandinė iš tikrųjų persijungia. Tai leidžia integruoti daugiau CMOS vartų į IC nei NMOS ar bipolinė technologija , o tai lemia daug geresnius rezultatus. Papildomą metalo oksido puslaidininkinį tranzistorių sudaro P kanalų MOS (PMOS) ir N kanalų MOS (NMOS). Norėdami sužinoti daugiau apie tai, žiūrėkite nuorodą CMOS tranzistoriaus gamybos procesą .

CMOS (papildomas metalo oksido puslaidininkis)

NMOS

NMOS yra pastatytas ant p tipo pagrindo su n tipo šaltiniu ir jame išsklaidytu drenažu. NMOS dauguma nešiklių yra elektronai. Kai vartams bus naudojama aukšta įtampa, NMOS dirbs. Panašiai, kai į vartus įjungiama žema įtampa, NMOS neveikia. NMOS laikomas greitesniu už PMOS, nes NMOS nešikliai, kurie yra elektronai, keliauja dvigubai greičiau nei skylės.

NMOS tranzistorius

PMOS

P kanalo MOSFET susideda iš P tipo šaltinio ir drenažo, išsklaidyto ant N tipo pagrindo. Dauguma nešėjų yra skylės. Kai vartams yra naudojama aukšta įtampa, PMOS neveiks. Kai vartams bus naudojama žema įtampa, PMOS dirbs. PMOS prietaisai yra atsparesni triukšmui nei NMOS įrenginiai.

PMOS tranzistorius

CMOS darbo principas

CMOS technologijoje loginių funkcijų projektavimui naudojami tiek N, tiek P tipo tranzistoriai. Tas pats signalas, įjungiantis vieno tipo tranzistorių, naudojamas išjungti kito tipo tranzistorius. Ši charakteristika leidžia suprojektuoti loginius įtaisus naudojant tik paprastus jungiklius, nereikalaujant traukiamojo rezistoriaus.

CMOS loginiai vartai n tipo MOSFET rinkinys yra išdėstytas ištraukiamajame tinkle tarp išėjimo ir žemos įtampos maitinimo bėgių (Vss arba gana dažnai įžemintas). Vietoj NMOS loginių vartų apkrovos rezistoriaus CMOS loginiuose vartuose yra p tipo MOSFET rinkinys, esantis pritraukiamajame tinkle tarp išėjimo ir aukštesnės įtampos bėgių (dažnai vadinamas Vdd).

CMOS naudojant „Pull Up & Pull Down“

Taigi, jei tiek p tipo, tiek n tipo tranzistorių vartai yra prijungti prie tos pačios įvesties, p tipo MOSFET bus įjungtas, kai n tipo MOSFET yra išjungtas, ir atvirkščiai. Tinklai yra išdėstyti taip, kad vienas būtų įjungtas, o kitas išjungtas bet kokiam įvesties modeliui, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje.

CMOS siūlo santykinai didelę spartą, mažą energijos išsklaidymą, didelę triukšmo ribą abiejose būsenose ir veiks per platų šaltinio ir įėjimo įtampų diapazoną (jei šaltinio įtampa yra fiksuota). Be to, norėdami geriau suprasti papildomo metalo oksido puslaidininkių veikimo principą, turime trumpai aptarti CMOS loginius vartus, kaip paaiškinta toliau.

Kuriuose įrenginiuose naudojama CMOS?

Tokia technologija kaip CMOS naudojama skirtingose ​​mikroschemose, tokiose kaip mikrovaldikliai, mikroprocesoriai, SRAM (statinė RAM) ir kitos skaitmeninės logikos grandinės. Ši technologija naudojama įvairiose analoginėse grandinėse, įskaitant duomenų keitiklius, vaizdo jutiklius ir labai integruotus siųstuvus-imtuvus kelių rūšių ryšiui.

CMOS keitiklis

Inverterio grandinė, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Tai susideda iš PMOS ir NMOS FET . A įvestis A yra abiejų tranzistorių vartų įtampa.

NMOS tranzistorius turi įvestį iš Vss (įžeminimas), o PMOS tranzistorius - iš Vdd. Išvestis yra terminalas Y. Kai keitiklio įvesties gnybte (A) yra aukšta įtampa (~ Vdd), PMOS tampa atvira grandine, o NMOS išsijungia, todėl išėjimas bus ištrauktas į Vss.

CMOS keitiklis

Kai žemo lygio įtampa (

CMOS NAND vartai

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyti 2 įvesties papildomi MOS NAND vartai. Jį sudaro du serijos NMOS tranzistoriai tarp Y ir Ground ir du lygiagretūs PMOS tranzistoriai tarp Y ir VDD.

Jei įėjimo A arba B logika yra 0, bent vienas iš NMOS tranzistorių bus išjungtas, nutraukdamas kelią nuo Y iki žemės. Bet bent vienas iš pMOS tranzistorių bus įjungtas, sukurdamas kelią nuo Y iki VDD.

Du įvesties NAND vartai

Taigi išvestis Y bus didelė. Jei abu įėjimai yra dideli, abu nMOS tranzistoriai bus įjungti ir abu pMOS tranzistoriai bus išjungti. Taigi, išvesties logika bus maža. Žemiau pateiktoje lentelėje pateikta NAND logikos vartų tiesos lentelė.

CMOS NOR vartai

2 įvesties NOR vartai parodyti paveikslėlyje žemiau. NMOS tranzistoriai lygiagrečiai traukia išvestį žemai, kai kuri nors įvestis yra didelė. PMOS tranzistoriai yra nuoseklūs, kad išvestis būtų didelė, kai abu įėjimai yra žemi, kaip nurodyta toliau pateiktoje lentelėje. Rezultatas niekada nelieka plūduriuojantis.

Du įvesties NOR vartai

Žemiau pateiktoje lentelėje pateikta NOR loginių vartų tiesos lentelė.

CMOS gamyba

CMOS tranzistorius galima pagaminti iš silicio plokštelių. Plokštės skersmuo svyruoja nuo 20 mm iki 300 mm. Šiuo atveju litografijos procesas yra toks pat kaip spaustuvėje. Kiekviename žingsnyje gali būti dedamos skirtingos medžiagos, išgraviruotos kitaip. Šį procesą labai paprasta suprasti, žiūrint plokštelės viršų ir skerspjūvį supaprastinto surinkimo būdu. CMOS gali būti sukurtas naudojant tris technologijas, ty N šulinio pt P šulinį, Dviejų šulinių, SOI (Silicon on Insulator). Norėdami sužinoti daugiau apie šią nuorodą, žiūrėkite šią nuorodą CMOS gamyba .

CMOS baterijos tarnavimo laikas

Įprasta CMOS baterijos naudojimo trukmė yra maždaug 10 metų. Tačiau tai gali pasikeisti, atsižvelgiant į panaudojimą ir aplinką, kad ir kur būtų kompiuteris.

CMOS akumuliatoriaus gedimo simptomai

Kai CMOS baterija sugenda, kompiuteris negali išlaikyti tikslaus laiko ir datos, kai jis bus išjungtas. Pvz., Įjungus kompiuterį, galite pamatyti laiką ir datą, pvz., 12:00 PM ir 1990 m. Sausio 1 d. Šis gedimas nurodo, kad CMOS baterija yra sugedusi.

• Sunku paleisti nešiojamąjį kompiuterį
• Iš kompiuterio pagrindinės plokštės pyptelėjimas gali būti nuolat generuojamas
• Laikas ir data nustatyti iš naujo
• Kompiuterių periferiniai įrenginiai neatsako tinkamai
• Aparatūros tvarkyklės dingo
• Nepavyksta prisijungti prie interneto.

CMOS charakteristikos

Svarbiausios CMOS savybės yra mažas statinės energijos panaudojimas, didžiulis triukšmo atsparumas. Kai vienas tranzistorius iš MOSFET tranzistorių poros yra išjungtas, serijos kombinacija naudoja didelę galią perjungimo metu tarp dviejų nurodytų įjungtų ir išjungtų.

Dėl to šie įrenginiai nesukuria atliekų šilumos, palyginti su kitų tipų loginėmis grandinėmis, tokiomis kaip TTL ar NMOS logika, kurios paprastai naudoja tam tikrą stovimą srovę, net jei jos savo būsenos nekeičia.

Šios CMOS charakteristikos leis integruotoje grandinėje integruoti didelio tankio logines funkcijas. Dėl to CMOS tapo dažniausiai naudojama technologija, vykdoma VLSI lustuose.

Frazė MOS yra nuoroda į fizinę MOSFET struktūrą, kuri apima elektrodą su metaliniais vartais, esančiais puslaidininkių medžiagos oksido izoliatoriaus viršuje.

Tokia medžiaga kaip aliuminis naudojama tik vieną kartą, tačiau dabar ji yra polisilicio. Kiti metaliniai vartai gali būti suprojektuoti naudojant sugrįžimą, per CMOS proceso procesą gaunant didelių κ dielektrinių medžiagų.

CCD Vs CMOS

Vaizdo jutikliai, tokie kaip įkrovos sujungtas įrenginys (CCD) ir papildomi metalo oksido puslaidininkiai (CMOS), yra dvi skirtingos technologijos. Jie naudojami skaitmeniniam vaizdui užfiksuoti. Kiekvienas vaizdo jutiklis turi savo privalumų, trūkumų ir pritaikymo.

Pagrindinis skirtumas tarp CCD ir CMOS yra kadro fiksavimo būdas. Su įkrovimu sujungtas įrenginys, pvz., CCD, naudoja visuotinę užraktą, o CMOS - slenkantį langinį. Šie du vaizdo jutikliai keičia šviesos krūvį į elektrinį ir apdoroja jį elektroniniais signalais.

Gamybos procesas, naudojamas CCD, yra ypatingas, kad būtų galima formuoti krūvį per IC be pakeitimų. Taigi šis gamybos procesas gali sukelti itin aukštos kokybės jutiklius apie šviesos jautrumą ir ištikimybę.

Priešingai, CMOS lustai naudoja fiksuotas gamybos procedūras lustui kurti ir panašus procesas taip pat gali būti naudojamas gaminant mikroprocesorius. Dėl gamybos skirtumų tarp tokių jutiklių kaip CCD 7 CMOS yra akivaizdžių skirtumų.

CCD jutikliai užfiksuos vaizdus su mažesniu triukšmu ir puikia kokybe, o CMOS jutikliai paprastai yra labiau linkę į triukšmą.

Paprastai CMOS naudoja mažiau energijos, o CCD CMOS jutikliui naudoja daug energijos, pavyzdžiui, daugiau nei 100 kartų.

CMOS lustai gali būti gaminami bet kurioje tipiškoje Si gamybos linijoje, nes jie paprastai būna labai pigūs, palyginti su CCD. CCD jutikliai yra labiau subrendę, nes jie gaminami masiškai ilgą laiką.

Tiek CMOS, tiek CCD vaizduokliai priklauso nuo fotoelektros poveikio, kad gautų šviesos elektrinį signalą

Remiantis aukščiau pateiktais skirtumais, fotoaparatuose naudojami CCD, kad būtų galima nukreipti aukštos kokybės vaizdus per daug taškų ir išskirtinį šviesos jautrumą. Paprastai CMOS jutikliai turi mažesnę skiriamąją gebą, kokybę ir jautrumą.
Kai kuriose programose CMOS jutikliai pastaruoju metu tobulėja, kad ir kur jie pasiektų beveik vienodą su CCD įrenginiais funkciją. Paprastai CMOS kameros nėra brangios ir jų baterija veikia ilgai.

Susiejimas CMOS

Fiksatorių galima apibrėžti, kai įvyksta trumpasis jungimas tarp dviejų gnybtų, tokių kaip maitinimas ir žemė, kad būtų galima generuoti didelę srovę ir sugadinti IC. CMOS sistemoje fiksavimas yra mažos impedanso tako atsiradimas tarp galios ir antžeminių bėgių dėl ryšio tarp dviejų tranzistorių, tokių kaip parazitiniai PNP ir NPN tranzistoriai .

CMOS grandinėje du tranzistoriai, tokie kaip PNP ir NPN, yra prijungti prie dviejų tiekimo bėgių, tokių kaip VDD ir GND. Šių tranzistorių apsauga gali būti vykdoma per rezistorius.

Perduodant fiksatorių, srovė tekės iš VDD į GND tiesiai per du tranzistorius, kad atsirastų trumpasis jungimas, taigi kraštutinė srovė tekės iš VDD į įžeminimo gnybtą.

Yra skirtingi užfiksavimo prevencijos metodai

Apsaugos nuo užsiblokavimo metu take gali būti didelis atsparumas, kad būtų sustabdytas srovės srautas per visą tiekimą ir kad β1 * β2 būtų mažesnis nei 1, naudojant šiuos metodus.

Parazitinio SCR struktūra bus išskirta tranzistorių, tokių kaip PMOS ir NMOS, aplink izoliacinį oksido sluoksnį. Apsaugos nuo užsiblokavimo technologija išjungs prietaisą, kai pastebėsite užfiksavimą.

Fiksavimo testavimo paslaugas gali atlikti daugelis pardavėjų rinkoje. Šis bandymas gali būti atliekamas bandymų suaktyvinti SCR struktūrą CMOS IC seka, o susiję kaiščiai tikrinami, kai per ją teka viršsrovė.

Patartina iš eksperimentinės partijos gauti pirmuosius mėginius ir nusiųsti juos į „Latch-up“ bandymų laboratoriją. Ši laboratorija naudos maksimaliai įmanomą maitinimo šaltinį ir tada užtikrins srovės tiekimą mikroschemos įvestims ir išėjimams, kai tik atsiras fiksatorius, stebint srovės tiekimą.

Privalumai

CMOS privalumai yra šie.

Pagrindiniai CMOS pranašumai, palyginti su TTL, yra gera triukšmo riba ir mažesnis energijos suvartojimas. Taip yra dėl to, kad nėra tiesios eismo juostos nuo VDD iki GND, kritimo laikas priklauso nuo įvesties sąlygų, tada skaitmeninio signalo perdavimas taps lengvas ir nebrangus per CMOS lustus.

CMOS naudojamas paaiškinti atminties kiekį kompiuterio pagrindinėje plokštėje, kuri bus saugoma BIOS nustatymuose. Šie nustatymai daugiausia apima datą, laiką ir aparatūros nustatymus
TTL yra skaitmeninė loginė grandinė, kurioje bipoliniai tranzistoriai dirba nuolatinės srovės impulsais. Keletą tranzistorių loginių vartų paprastai sudaro vienas IC.

Rezultatai, jei CMOS aktyviai veikia abiem būdais

• Jis naudoja vieną maitinimo šaltinį, pvz., + VDD
• Šie vartai yra labai paprasti
• Įvesties varža yra didelė
• CMOS logika naudoja mažiau energijos, kai tik ji yra nustatyta būsena
• Galios išsklaidymas yra nereikšmingas
• Ventiliatoriaus išėjimas yra didelis
• TTL suderinamumas
• Temperatūros stabilumas
• Triukšmo atsparumas yra geras
• Kompaktiškas
• Projektavimas yra labai gerai
• Tvirtas mechaniškai
• Loginis svyravimas yra didelis (VDD)

Trūkumai

CMOS trūkumai yra šie.

• Kaina padidės, kai padidės apdorojimo etapai, tačiau tai bus galima išspręsti.
• CMOS pakavimo tankis yra mažas, palyginti su NMOS.
• MOS lustai turėtų būti apsaugoti nuo statinių krūvių, kai laidai yra sutrumpinti, nes priešingu atveju laiduose gauti statiniai krūviai sugadins lustą. Šią problemą galima išspręsti įtraukiant apsaugines grandines, kitaip prietaisus.
• Kitas CMOS keitiklio trūkumas yra tas, kad jis naudoja du tranzistorius, o ne vieną NMOS, kad sukurtų keitiklį, o tai reiškia, kad CMOS naudoja daugiau vietos lustui, palyginti su NMOS. Šie trūkumai yra nedideli dėl CMOS technologijos pažangos.

CMOS programos

Papildomi MOS procesai buvo plačiai įgyvendinami ir iš esmės pakeitė NMOS ir bipolinius procesus beveik visoms skaitmeninės logikos programoms. CMOS technologija buvo naudojama šiems skaitmeniniams IC projektams.

• Kompiuterių atmintinės, procesoriai
• Mikroprocesorių dizainas
• „Flash“ atminties lustų projektavimas
• Naudojamas kuriant specifinius taikomuosius integrinius grandynus (ASIC)

Taigi, CMOS tranzistorius yra labai garsus nes jie efektyviai naudoja elektros energiją. Jie nenaudoja elektros energijos tiekimo, kai keičiasi iš vienos būklės į kitą. Be to, nemokami puslaidininkiai veikia abipusiai, kad sustabdytų o / p įtampą. Rezultatas yra mažos galios dizainas, suteikiantis mažiau šilumos, dėl šios priežasties šie tranzistoriai pakeitė kitus ankstesnius dizainus, pvz., Kameros jutiklių CCD ir naudojamus daugumoje dabartinių procesorių. CMOS atmintis kompiuteryje yra tam tikra nepastovi RAM, kurioje saugomi BIOS nustatymai ir laiko bei datos informacija.

Manau, kad jūs geriau supratote šią koncepciją. Be to, bet kokie klausimai dėl šios koncepcijos ar elektronikos projektai , pateikite savo vertingus pasiūlymus komentuodami žemiau esančiame komentarų skyriuje. Štai jums klausimas, kodėl CMOS yra geriau nei NMOS?