Úvod do technologie CMOS
2024-07-09 6619

Vývoj digitální elektroniky byl formován vývojem technologie doplňkového oxidu kovového oxidu (CMOS).Technologie CMOS se objevila v reakci na potřebu rychlejšího zpracování a efektivnější spotřebu energie a revolucionizovala návrh obvodů s inovativním přístupem k řízení síly a integrity signálu.Na rozdíl od zařízení bipolárních spojovacích tranzistorů (BJT), která jsou závislá na proudovém toku, CMOS zařízení využívají mechanismy řízené napětí, které významně snižují proud brány, čímž minimalizují ztrátu energie.Tato technologie nejprve získala trakci ve spotřební elektronice v 70. letech, například v elektronických hodinek, ale v 80. letech 20. století to byl příchod velmi velké integrace (VLSI), který skutečně upevnil pozici CMO jako základního kamena v moderní elektronice.Éra byla svědkem CMOS technologie zvyšující spolehlivost obvodů, odolnost proti šumu a výkon při různých teplotách a napětích při zjednodušení celkového procesu návrhu.Tato vylepšení nejen zvýšila počet tranzistorů z tisíců na miliony na jednom čipu, ale také rozšířila funkčnost CMO na digitální i smíšené signálové návrhy VLSI, čímž překonal starší technologie, jako je logika tranzistor-tranzistoru (TTL), a to díky své nadřazené rychlosti a aOperace nižšího napětí.

Katalog

Porozumění technologii CMOS

Vývoj technologie doplňkového oxidu-semiconductor (CMOS) s komplementárním kovovým oxidem (CMOS) byl obrovskou součástí rozvoje designu digitálního obvodu.Objevilo se to hlavně kvůli potřebě rychlejšího zpracování a nižší spotřeby energie.Na rozdíl od zařízení bipolárních spojovacích tranzistorů (BJT), která závisí na proudovém toku, CMOS používá mechanismy řízené napětí.Hlavní rozdíl pomáhá snížit proud u brány a výrazně snížit ztrátu energie.V 70. letech se CMOS používal hlavně ve spotřební elektronice, jako jsou elektronické hodinky.

Krajina se v 80. letech změnila s příchodem velmi velké technologie integrace (VLSI), která silně přijala CMO z několika důvodů.CMOS používá méně energie, nabízí lepší odolnost proti šumu a funguje dobře během různých teplot a napětí.Zjednodušuje také návrh obvodu, což zvyšuje spolehlivost a flexibilitu.Tyto funkce umožnily obrovský nárůst hustoty integrace čipů na bázi CMOS a přesunul se z tisíců na miliony tranzistorů na čip.

Dnes je CMOS užitečné jak pro návrhy digitálních i smíšených signálů, a překonávají starší technologie, jako je logika tranzistor-transsistoru (TTL), díky své vynikající rychlosti a účinnosti při nižším napětí.Jeho rozšířené použití zdůrazňuje transformační dopad CMOS na moderní elektroniku, což z něj činí technologii pro vše od každodenních pomůcek po pokročilé výpočetní systémy.

Obrázek 1: Používejte k vyvážení elektrických charakteristik

Pracovní princip CMOS

Základní princip technologie doplňkového kovového oxidu-semiconductor (CMOS) používá dvojici tranzistorů typu N a P k vytvoření účinných logických obvodů.Jeden vstupní signál řídí přepínací chování těchto tranzistorů a zapíná jeden a zároveň vypne druhý.Tento design eliminuje potřebu tradičních pull-up rezistorů používaných v jiných polovodičových technologiích, zjednodušení designu a zlepšení energetické účinnosti.

V nastavení CMOS tvoří MOSFETS typu N (tranzistory pole-Semiconductor-Semiconductor-Semiconductor-Effect)), která spojuje výstup logické brány k nízkému napětí, obvykle země (VSS).To nahrazuje odpory zatížení ve starších logických obvodech NMOS, které byly méně účinné při řízení přechodů napětí a náchylnější ke ztrátě energie.Naopak, P-typ MOSFETS vytváří pull-up síť, která spojuje výstup s vyšším přívodem napětí (VDD).Toto uspořádání s dvojím sítí zajišťuje, že výstup je pro jakýkoli daný vstup ovládán stabilně a předvídatelně.

Když je aktivována brána MOSFET typu P-typu, zapne se, zatímco odpovídající N-typ MOSFET vypne a naopak.Tato souhra nejen zjednodušuje architekturu obvodu, ale také zvyšuje provozní spolehlivost a funkčnost zařízení.Technologie CMOS je prospěšná pro uživatele, kteří potřebují spolehlivé a efektivní elektronické systémy.

Obrázek 2: Úvod do techniky CMOS

Střídač

Střídač je primárním prvkem v designu digitálního obvodu, zejména pro binární aritmetické a logické operace.Hlavní funkcí je zvrátit vstupní signál v rámci binární logické úrovně.Zjednodušeně řečeno, „0“ je považováno za nízké nebo nulové volty a „1“ je vysoký nebo V volty.Když střídač obdrží vstup 0 voltů, vydává V Volts a když přijímá V Volts, vydává 0 voltů.

Tabulka pravdy obvykle demonstruje funkci střídače uvedením všech možných vstupů a jejich odpovídajících výstupů.Tato tabulka jasně ukazuje, že vstup „0“ vytváří výstup „1“ a vstup „1“ má za následek výstup „0“.Tento inverzní proces je vyžadován pro logická rozhodnutí a zpracování dat ve výpočetních a digitálních systémech.

Pro složitější digitální interakce je vyžadována operace střídače.Umožňuje hladké provádění výpočetních úkolů vyšší úrovně a pomáhá efektivně řídit tok dat v obvodech.

Tabulka 1: Tabulka pravdy střídače

Střídač CMOS

Invertor CMOS je modelem účinnosti v elektronice, který má jednoduchý design s tranzistory NMOS a PMOS připojenými v sérii.Jejich brány jsou svázány jako vstup a jejich odtoky jsou připojeny k vytvoření výstupu.Toto uspořádání snižuje rozptyl výkonu a optimalizuje obvod pro energetickou účinnost.

Když je vstupní signál vysoký (logika „1“), přepne tranzistor NMOS, provádí proud a vytáhne výstup do nízkého stavu (logika „0“).Současně je tranzistor PMOS vypnuto a izoluje kladné napájení od výstupu.Naopak, když je vstup nízký (logika „0“), tranzistor NMOS se vypne a tranzistor PMOS se zapne, což vede výstup do vysokého stavu (logika „1“).

Tato koordinace mezi tranzistory NMOS a PMOS umožňuje střídači udržovat stabilní výstup navzdory iontům vstupního napětí V ariat.Zajištění, že jeden tranzistor je vždy vypnutý, když je druhý zapnutý, měnič CMOS zachovává energii a zabraňuje přímé elektrické cestě od napájení na zem.Pomůže to zabránit zbytečnému úniku energie.Toto nastavení duálního tranzistoru definuje primární roli střídače CMOS v digitálních obvodech a poskytuje spolehlivou logickou inverzi s minimální spotřebou energie a vysokou integritou signálu.

Obrázek 3: Logické brány CMOS

Střídač NMOS

Invertor NMOS je postaven pomocí přímého a efektivního nastavení.V této konfiguraci slouží brána jako vstup, vypouštění funguje jako výstup a jak zdroj, tak substrát jsou uzemněny.Jádrem tohoto uspořádání je N-kanálový MOSFET N-Channel typu.Pozitivní napětí je naneseno na odtok pomocí odporu zatížení, aby se stanovilo správné zkreslení.

Když je vstup brány uzemněn, představuje logiku „0“, u brány není přítomno žádné napětí.Tento nedostatek napětí zabraňuje tvorbě vodivého kanálu v MOSFET, což z něj činí otevřený obvod s vysokým odporem.Výsledkem je, že minimální proud proudí z odtoku ke zdroji, což způsobuje, že výstupní napětí se zvětší v blízkosti +V, což odpovídá logice „1“.Když je na bránu aplikováno kladné napětí, přitahuje elektrony k rozhraní oxidu brány a vytváří kanál typu N.Tento kanál snižuje odpor mezi zdrojem a odtokem, což umožňuje proudění proudu a snižování výstupního napětí na téměř úroveň podzemí nebo logiku „0“.

Tato operace ukazuje střídač NMOS jako efektivní roztahovací zařízení, které je užitečné pro binární přepínací úkoly.Je užitečné si uvědomit, že toto nastavení má tendenci konzumovat více síly, když je ve stavu „on“.Zvýšená spotřeba energie vzniká z kontinuálního proudu plynoucího z zdroje napájení na zem, když je tranzistor aktivní, což zdůrazňuje klíčový operační kompromis v návrhu střídače NMOS.

Střídač PMOS

Obrázek 4: Základy CMOS ICS

Střídač PMOS je strukturován podobně jako střídač NMOS, ale s obráceným elektrickým připojením.V tomto nastavení se tranzistor PMOS používá s kladným napětím aplikovaným na substrát i zdroj, zatímco zatížení je připojeno k zemi.

Když je vstupní napětí vysoké při +V (logika „1“), napětí na zdroj brány se stává nulou a vypne tranzistor „vypnuto“.Tím se vytváří cesta s vysokým odporem mezi zdrojem a odtokem, čímž udržuje výstupní napětí nízké při logice „0“.

Když je vstup na 0 voltů (logika „0“), napětí na zdroj brány se stává negativním vzhledem ke zdroji.Toto záporné napětí nabíjí kondenzátor brány a převrátí povrch polovodiče z typu N k typu p a vytváří vodivý kanál.Tento kanál drasticky snižuje odpor mezi zdrojem a odtokem, což umožňuje volně proudit proud ze zdroje do odtoku.Výsledkem je, že výstupní napětí stoupá v blízkosti napájecího napětí +V, což odpovídá logice „1“.

Tímto způsobem působí tranzistor PMOS jako pull-up zařízení, které poskytuje nízkou cestu odporu k pozitivnímu napájecímu napětí při aktivaci.Díky tomu je střídač PMOS primární složkou při vytváření stabilní a spolehlivé logické inverze.Zajišťuje, že výstup je v případě potřeby silně poháněn do vysokého stavu.

Průřez CMOS

Obrázek 5: Průřez brány CMOS

CMOS čip kombinuje tranzistory NMOS a PMOS na jediném křemíkovém substrátu a vytváří kompaktní a účinný obvod střídače.Při pohledu na průřez tohoto nastavení ukazuje strategické umístění těchto tranzistorů, optimalizující funkce a snižování elektrického rušení.

Tranzistor PMOS je zabudován do substrátu typu N, zatímco tranzistor NMOS je umístěn do samostatné oblasti typu p zvané P-well.Toto uspořádání zajišťuje, že každý tranzistor pracuje za optimálních podmínek.P-well působí jako operační základ pro tranzistor NMOS a izoluje elektrické cesty tranzistorů NMOS a PMOS, což brání interferenci.Tato izolace je užitečná pro udržení integrity signálu a celkového výkonu obvodu CMOS.

Tato konfigurace umožňuje, aby se čip rychle a spolehlivě přepnul mezi stavy vysoké a nízké logiky.Integrací obou typů tranzistorů do jedné jednotky konstrukce CMOS vyrovnává své elektrické vlastnosti, což vede k stabilnějším a efektivnějším operacím obvodů.Tato integrace snižuje velikost a zlepšuje výkon moderních elektronických zařízení a představuje pokročilé inženýrství za technologií CMOS.

Disipace výkonu střídače CMOS

Klíčovým rysem technologie CMOS je její účinnost v rozptylu energie, zejména ve statických nebo nečinných stavech.Když je neaktivní, střídač CMOS čerpá velmi malou výkon, protože tranzistor „off“ uniká pouze minimálním proudem.Tato účinnost je užitečná pro udržení energetického odpadu a prodloužení výdrže baterie přenosných zařízení.

Obrázek 6: Senzory CMOS- pro průmyslové kamery

Během dynamického provozu, když měnič přepíná stavy, dočasně se zvětšuje rozptyl výkonu.K tomuto hrotu dochází, protože na krátkou chvíli jsou tranzistory NMOS i PMOS částečně zapnuté a vytvářejí krátkodobý přímá cesta pro proudový tok z napájecího napětí na zem.Přes toto přechodné zvýšení zůstává celková průměrná spotřeba energie střídače CMOS mnohem nižší než u starších technologií, jako je logika tranzistor-transsistoru (TTL).

Toto udržovalo nízké využití energie napříč různými provozními režimy zvyšuje energetickou účinnost obvodů CMOS.Díky tomu je ideální pro aplikace, kde je dostupnost energie omezená, jako jsou mobilní zařízení a další technologie napájené z baterií.

Nízký výkonový tah v ustáleném stavu střídačů CMOS generuje méně tepla, což snižuje tepelné napětí na komponentách zařízení.Tato snížená tvorba tepla může prodloužit životnost elektronických zařízení, díky čemuž je technologie CMOS klíčovým faktorem při navrhování udržitelnějších a nákladově efektivnějších elektronických systémů.

DC přenos napětí charakteristika invertoru CMOS

Obrázek 7: Optimalizujte obvody pro účinnost výkonu a rychlosti

Charakteristika přenosu DC napětí (VTC) invertoru CMOS je primárním nástrojem k pochopení jeho chování.Ukazuje vztah mezi vstupním a výstupním napětím ve statických (bez přepínání) podmínek a poskytuje jasný pohled na výkon střídače na různých úrovních vstupu.

V dobře navrženém střídači CMOS, kde jsou tranzistory NMOS a PMOS vyvážené, je VTC téměř ideální.Je symetrický a má ostrý přechod mezi vysokým a nízkým výstupním napětím při specifickém prahu vstupního napětí.Tato prahová hodnota je bodem, kdy měnič přepne z jednoho logického stavu na druhý a rychle se mění z logiky „1“ na „0“ a naopak.

Přesnost VTC je užitečná při určování provozních napěťových rozsahů digitálních obvodů.Identifikuje přesné body, kdy výstup změní stavy, což zajišťuje, že logické signály jsou jasné a konzistentní a snižují riziko chyb v důsledku iontů napětí v ariat.

Výhody technologie CMOS

Technologie CMOS nabízí nízkou statickou spotřebu energie.Je užitečnějším pro elektronické aplikace, zejména v zařízeních s baterií, protože využívá energii pouze při logických transakcích stavu.

Konstrukce obvodů CMOS ze své podstaty zjednodušuje složitost a umožňuje kompaktní uspořádání logických funkcí s vysokou hustotou na jednom čipu.Tato funkce je nutná pro vylepšení mikroprocesorů a paměťových čipů a zlepšení provozních schopností bez rozšíření fyzické velikosti křemíku.Tato výhoda hustoty umožňuje více výkonu zpracování na jednotku plochy a usnadňuje pokrok v technologické miniaturizaci a integraci systému.

Vysoká šumová imunita CMOS Technology snižuje rušení a zajišťuje stabilní a spolehlivé provoz systémů založených na CMOS v elektronických prostředích náchylných k šumu.Kombinace nízké spotřeby energie, snížené složitosti a robustní imunity šumu ztuhne CMO jako základní technologii v elektronice.Podporuje širokou škálu aplikací, od jednoduchých obvodů až po komplexní digitální výpočetní architektury.

Obrázek 8: Technologický diagram CMOS

Rekapitulace technologie CMOS

Technologie CMOS je základním kamenem moderního designu digitálních obvodů, které využívají tranzistory NMOS i PMOS na jednom čipu.Tento přístup s dvojitým transzistorem zvyšuje účinnost prostřednictvím doplňkového přepínání a snižuje spotřebu energie, což je v dnešním energetickém světě prospěšné.

Síla obvodů CMOS pochází z jejich nízkých požadavků na výkon a vynikající imunitu šumu.Tyto vlastnosti jsou užitečné pro vytvoření spolehlivého a komplexního digitálního integrovaného obvodu.Technologie CMOS účinně odolává elektrickému rušení a zlepšuje stabilitu a výkon elektronických systémů.

Nízká statická spotřeba energie a spolehlivá provoz CMOS z něj činí preferovanou volbu pro mnoho aplikací.Od spotřební elektroniky po špičkové počítačové systémy, přizpůsobivost a účinnost společnosti CMOS Technology nadále zvyšují inovace v elektronickém průmyslu.Jeho rozšířené použití zdůrazňuje jeho význam při rozvoji digitální technologie.

Závěr

Technologie CMOS stojí jako paragon inovací v oblasti designu digitálního obvodu, který neustále vede k rozvoji elektroniky ze základních gadgetů po komplexní výpočetní systémy.Nastavení NMO a PMOS na jednom čipu na jednom čipu umožnilo efektivní přepínání, minimální rozptyl výkonu a vysoký stupeň imunity šumu, což činí CMO užitečné při vytváření hustých integrovaných obvodů.Snížení spotřeby energie bez obětování výkonu se v době přenosných zařízení napájených z baterií prokázala.Robustnost technologie CMOS při zpracování různých provozních a environmentálních podmínek rozšířila své aplikace napříč mnoha doménami.Jak se neustále vyvíjí, technologie CMOS může pomoci utvářet budoucí krajinu elektronického designu.Zajišťuje, že T zůstane v popředí technologických inovací a nadále splňuje rostoucí požadavky na energetickou účinnost a miniaturizaci v elektronických zařízeních.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Jak funguje CMO v digitální elektronice?

Technologie doplňkového kovového oxidu (CMOS) je základní v digitální elektronice, především proto, že účinně řídí tok elektřiny v zařízeních.V praxi zahrnuje obvod CMOS dva typy tranzistorů: NMO a PMOS.Jsou uspořádány tak, aby zajistily, že najednou provádí pouze jeden z tranzistorů, což drasticky snižuje energii spotřebovanou obvodem.

Když je v provozu obvod CMOS, jeden tranzistor blokuje proud, zatímco druhý ho nechá projít.Například, pokud je digitální signál „1“ (vysoké napětí) vstup do střídače CMOS, přepínač NMOS se zapne (provádí) a PMO se vypne (blokuje proud), což má za následek nízké napětí nebo '0'na výstupu.Naopak vstup '0' aktivuje PMOS a deaktivuje NMO, což vede k vysokému výstupu.Toto přepínání zajišťuje, že je zbytečné minimální výkon, takže CMOS je ideální pro zařízení, jako jsou chytré telefony a počítače, kde je vyžadována účinnost baterie.

2. Jaký je rozdíl mezi MOSFET a CMOS?

MOSFET (tranzistor polního efektu-efektu kovově-oxidu-semiconductor) je typ tranzistoru používaného pro přepínání elektronických signálů.Na druhé straně CMOS odkazuje na technologii, která využívá dva doplňkové typy MOSFET (NMO a PMO) k vytvoření digitálních logických obvodů.

Primární rozlišení spočívá v jejich aplikaci a účinnosti.Jeden MOSFET může fungovat jako spínač nebo amplifikovat signály, vyžadující nepřetržitý tok energie a potenciálně generovat více tepla.CMOS integrací jak tranzistorů NMOS, tak PMOS se střídají mezi použitím jednoho nebo druhého, snižováním požadované energie a generovaného tepla.Díky tomu je CMO vhodnější pro moderní elektronická zařízení, která vyžadují vysokou účinnost a kompaktnost.

3. Co se stane, když vyčistíte CMOS?

Vymazání CMO na počítači resetuje nastavení BIOS (základní vstupní/výstupní systém) do jejich výchozích továrny.To se často provádí pro řešení problémů s hardwarem nebo spuštěním, které mohou nastat v důsledku nesprávného nebo poškozeného nastavení BIOS.

Chcete -li vyčistit CMOS, obvykle zkrátíte konkrétní pár kolíků na základní desce pomocí propojka nebo odstraňte baterii CMOS na několik minut.Tato akce spláchne volatilní paměť v BIOS a vymazává jakékoli konfigurace, jako je pořadí spouštění, systém systému a nastavení hardwaru.Po vymazání CMOS budete možná muset znovu nakonfigurovat nastavení BIOS podle vašich výpočetních potřeb nebo kompatibility hardwaru.

4. Co nahradí CMOS?

Přestože technologie CMOS stále převládá, cílem probíhajícího výzkumu je vyvinout alternativy, které by mohly potenciálně nabídnout větší efektivitu, rychlost a integraci, jak se technologie dále rozšiřuje.

Grafenové tranzistory se zkoumají pro jejich výjimečné elektrické vlastnosti, jako je vyšší mobilita elektronů než křemík, což by mohlo vést k rychlejším rychlostem zpracování.

Využívá kvantové bity, které mohou existovat ve více státech současně a nabízejí exponenciální zvýšení rychlosti pro konkrétní výpočty.

Spintronics: Používá spíše rotaci elektronů, než jejich náboj, k kódování dat, potenciálně snižování spotřeby energie a zvyšování schopností zpracování dat.

I když jsou tyto technologie slibné, přechod z CMO na nový standard v digitální elektronice bude vyžadovat překonání technických výzev a podstatných investic do nových výrobních technologií.Od nynějška zůstává CMOS nejpraktičtější a nejpoužívanější technologií v designu digitálního obvodu díky své spolehlivosti a efektivitě nákladové efektivity.