Wprowadzenie do technologii CMOS
2024-07-09 6579

Ewolucja cyfrowej elektroniki została ukształtowana przez opracowanie technologii uzupełniającej tlenku-tlenku metalowo-semiconductor (CMOS).Pojawiające się w odpowiedzi na potrzebę szybszych prędkości przetwarzania i bardziej wydajnego zużycia energii, Technologia CMOS zrewolucjonizowała projektowanie obwodów dzięki innowacyjnego podejścia do zarządzania energią i integralnością sygnału.W przeciwieństwie do urządzeń tranzystorowych połączenia dwubiegunowego (BJT), które są zależne od przepływu prądu, urządzenia CMOS wykorzystują mechanizmy kontrolowane napięciem, które znacznie zmniejszają prąd bramki, minimalizując w ten sposób utratę mocy.Ta technologia po raz pierwszy zyskała przyczepność w elektronice użytkowej w latach 70. XX wieku, na przykład w zegarkach elektronicznych, ale pojawienie się integracji bardzo dużej skali (VLSI) w latach 80. naprawdę ugruntowało pozycję CMO jako kamień węgielny we współczesnej elektronice.ERA była świadkiem, że technologia CMOS zwiększała niezawodność obwodu, odporność na hałas i wydajność w różnych temperaturach i napięciach, jednocześnie upraszczając ogólny proces projektowania.Ulepszenia te nie tylko zwiększyły liczbę tranzystorową z tysięcy do milionów na pojedynczym chipie, ale także rozszerzyły funkcjonalność CMO na projekty VLSI cyfrowe, jak i mieszane, przewyższając starsze technologie, takie jak logika tranzystora-transistorowa (TTL)Niższe operacje napięcia.

Katalog

Zrozumienie technologii CMOS

Opracowanie technologii komplementarnej tlenku-tlenku (CMOS) było ogromną częścią postępowania obwodów cyfrowych.Pojawił się głównie ze względu na potrzebę szybszego przetwarzania i niższego zużycia energii.W przeciwieństwie do urządzeń tranzystorowych połączeń dwubiegunowych (BJT), które zależą od przepływu prądu, CMOS wykorzystuje mechanizmy kontrolowane napięciem.Główna różnica pomaga zmniejszyć prąd przy bramie, znacznie zmniejszając utratę mocy.W latach 70. CMOS był używany głównie w elektronice użytkowej, takiej jak zegarki elektroniczne.

Krajobraz zmienił się w latach 80. wraz z pojawieniem się technologii integracji bardzo dużych skali (VLSI), która mocno przyjęła CMO z kilku powodów.CMOS zużywa mniej energii, oferuje lepszą odporność na szum i dobrze sobie radzi w różnych temperaturach i napięciach.Upraszcza również projekt obwodu, który zwiększa niezawodność i elastyczność.Funkcje te pozwoliły na ogromny wzrost gęstości integracji układów opartych na CMOS, przechodząc z tysięcy do milionów tranzystorów na chip.

Obecnie CMO jest przydatne zarówno dla projektów VLSI cyfrowych, jak i mieszanych, przewyższając starsze technologie, takie jak logika tranzystorowa-transystorowa (TTL) ze względu na jego doskonałą prędkość i wydajność przy niższych napięciach.Jego powszechne zastosowanie podkreśla transformacyjny wpływ CMOS na nowoczesną elektronikę, co czyni go technologią dla wszystkiego, od codziennych gadżetów po zaawansowane systemy obliczeniowe.

Rysunek 1: Zastosowanie do zrównoważenia właściwości elektrycznych

Zasada pracy CMOS

Podstawowa zasada uzupełniającej technologii-semiconductor (CMOS) jest para tranzystorów typu N i P do tworzenia wydajnych obwodów logicznych.Pojedynczy sygnał wejściowy kontroluje zachowanie przełączania tych tranzystorów, włączając jedno, jednocześnie wyłączając drugie.Ten projekt eliminuje potrzebę tradycyjnych rezystorów podciągających stosowanych w innych technologiach półprzewodników, upraszczając projekt i poprawiając wydajność energetyczną.

W konfiguracji CMOS MOSFET typu N (tranzystory w polu-semiconductor-semiconductor) tworzą rozkładaną sieć łączącą wyjście wyjściowe bramki logicznej z zasilaniem niskiego napięcia, zwykle podłoża (VSS).Zastępuje to rezystory obciążenia w starszych obwodach logicznych NMOS, które były mniej skuteczne w zarządzaniu przejściami napięcia i bardziej podatne na utratę energii.I odwrotnie, MOSFET typu P tworzą sieć podciągania, która łączy wyjście z wyższym zasilaniem napięcia (VDD).Ten układ podwójnej sieci zapewnia, że ​​dane wyjściowe jest kontrolowane stabilnie i przewidywalnie dla dowolnego danego wkładu.

Gdy brama MOSFET typu p jest aktywowana, włącza się, podczas gdy odpowiadający mu MOSFET typu N wyłącza i odwrotnie.Ta gra nie tylko upraszcza architekturę obwodu, ale także zwiększa niezawodność operacyjną i funkcjonalność urządzenia.Technologia CMOS jest korzystna dla użytkowników, którzy potrzebują niezawodnych i wydajnych systemów elektronicznych.

Rysunek 2: Wprowadzenie do CMOS Tech

Falownik

Falownik jest głównym elementem projektowania obwodów cyfrowych, szczególnie w przypadku operacji binarnych arytmetycznych i logicznych.Główną funkcją jest odwrócenie sygnału wejściowego w binarnych poziomach logicznych.Mówiąc prosto, „0” jest uważane za niskie lub zerowe wolty, a „1” jest wysokie lub v woltów.Gdy falownik odbiera wejście 0 woltów, wysyła v wolty, a gdy otrzymuje v wolty, wysyła 0 woltów.

Tabela prawdy zazwyczaj pokazuje funkcję falownika, wymieniając wszystkie możliwe dane wejściowe i odpowiednie wyniki.Ta tabela wyraźnie pokazuje, że wejście „0” wytwarza wyjście „1”, a wejście „1” powoduje wyjście „0”.Ten proces inwersji jest wymagany do logicznych decyzji i przetwarzania danych w systemach obliczeniowych i cyfrowych.

Działanie falownika jest wymagane dla bardziej złożonych interakcji cyfrowych.Umożliwia płynne wykonywanie zadań obliczeniowych wyższego poziomu i pomaga skutecznie zarządzać przepływem danych w obwodach.

Tabela 1: Tabela prawdy falownika

Falownik CMOS

CMOS falownik jest model wydajności elektroniki, zawierający prosty projekt z tranzystorami NMOS i PMOS połączonymi szeregowo.Ich bramy są powiązane jako dane wejściowe, a ich dreny są podłączone do wytworzenia wyjścia.Ten układ zmniejsza rozpraszanie mocy, optymalizując obwód pod kątem wydajności energetycznej.

Gdy sygnał wejściowy jest wysoki (logika „1”), tranzystor NMOS włącza się, prowadząc prąd i przyciągając wyjście do niskiego stanu (logika „0”).Jednocześnie tranzystor PMOS jest wyłączony, izolując dodatnią podaż od produkcji.I odwrotnie, gdy wejście jest niskie (logika „0”), tranzystor NMOS wyłącza się, a tranzystor PMOS włącza się, doprowadzając wyjście do wysokiego stanu (logika „1”).

Ta koordynacja między tranzystorami NMOS i PMOS pozwala falownikowi na utrzymanie stabilnego wyjścia pomimo napięcia wejściowego V ariat.Zapewniając, że jeden tranzystor jest zawsze wyłączony, gdy drugi jest włączony, falownik CMOS zachowuje energię i zapobiega bezpośredniej ścieżki elektrycznej z zasilania do ziemi.Pomoże to zapobiec niepotrzebnym drenażem mocy.Ta konfiguracja podwójnego transystora definiuje główną rolę falownika CMOS w obwodach cyfrowych, zapewniając niezawodną inwersję logiczną o minimalnym zużyciu energii i wysokiej integralności sygnału.

Rysunek 3: bramy logiczne CMOS

Falownik NMOS

Falownik NMOS jest zbudowany przy użyciu prostej i wydajnej konfiguracji.W tej konfiguracji brama służy jako wejście, drenaż funkcjonuje jako wyjście, a zarówno źródło, jak i podłoże są uziemione.Rdzeniem tego układu jest MOSFET typu N-kanałowego typu wzmacniający.Dodatkowe napięcie nakłada się do drenażu przez rezystor obciążenia w celu ustalenia właściwego stronniczości.

Gdy wejście bramy jest uziemione, reprezentując logikę „0”, nie ma napięcia przy bramie.Ten brak napięcia zapobiega tworzeniu się kanału przewodzącego w MOSFET, co czyni go otwartym obwodem o wysokim oporze.W rezultacie minimalny prąd przepływa z drenażu do źródła, powodując wzrost napięcia wyjściowego blisko +V, co odpowiada logice „1”.Gdy do bramki przykłada się napięcie dodatnie, przyciąga elektrony do interfejsu tlenku bramki, tworząc kanał typu N.Kanał ten zmniejsza opór między źródłem a drenażem, umożliwiając przepływ prądu i upuszczenie napięcia wyjściowego do prawie poziomu gruntu lub logiki „0”.

Ta operacja pokazuje falownik NMOS jako skuteczne urządzenie rozwijane, przydatne do zadań przełączania binarnego.Pomocne jest uznanie, że ta konfiguracja ma tendencję do konsumpcji większej mocy w stanie „ON”.Zwiększone zużycie energii wynika z ciągłego prądu przepływającego z zasilania do ziemi, gdy tranzystor jest aktywny, podkreślając kluczowy kompromis operacyjny w projekcie falownika NMOS.

Falownik PMOS

Rysunek 4: Podstawy CMOS ICS

Falownik PMOS jest ustrukturyzowany podobnie do falownika NMOS, ale z odwróconymi połączeniami elektrycznymi.W tej konfiguracji tranzystor PMOS jest używany z dodatnim napięciem przyłożonym zarówno do podłoża, jak i źródła, podczas gdy rezystor obciążenia jest podłączony do podłoża.

Gdy napięcie wejściowe jest wysokie przy +V (logika „1”), napięcie bramki do źródła staje się zerowe, wyłączając tranzystor „wyłączony”.Tworzy to wysoką ścieżkę oporową między źródłem a drenażem, utrzymując niskie napięcie wyjściowe w logice „0”.

Gdy wejście wynosi 0 woltów (logika „0”), napięcie bramki do źródła staje się ujemne w stosunku do źródła.To ujemne napięcie ładuje kondensator bramki, odwracając powierzchnię półprzewodnikową od typu N do typu p i tworzenie kanału przewodzącego.Ten kanał drastycznie obniża opór między źródłem a drenażem, umożliwiając swobodny przepływ prądu ze źródła do drenażu.W rezultacie napięcie wyjściowe wzrasta blisko napięcia zasilania +V, odpowiadające logice „1”.

W ten sposób tranzystor PMOS działa jako urządzenie podciągające, które zapewnia niską ścieżkę oporności do dodatniego napięcia zasilania po aktywacji.To sprawia, że ​​falownik PMOS jest głównym elementem w tworzeniu stabilnej i niezawodnej inwersji logicznej.Zapewnia, że ​​wyjście jest silnie napędzane do stanu wysokiego, gdy jest to wymagane.

Przekrój CMOS

Rysunek 5: Przekrój bramki CMOS

Chip CMOS łączy tranzystory NMOS i PMOS na jednym krzemu, tworząc kompaktowy i wydajny obwód falownika.Przeglądanie przekroju tej konfiguracji pokazuje strategiczne umieszczenie tych tranzystorów, optymalizując funkcjonalność i zmniejszając zakłócenia elektryczne.

Tranzystor PMOS jest osadzony w podłożu typu N, podczas gdy tranzystor NMOS jest umieszczony w oddzielnym obszarze typu p zwanym P-Well.Układ ten zapewnia, że ​​każdy tranzystor działa w optymalnych warunkach.P-Well działa jako podstawa operacyjna tranzystora NMOS i izoluje ścieżki elektryczne tranzystorów NMOS i PMOS, zapobiegając zakłóceniu.Ta izolacja jest pomocna w utrzymaniu integralności sygnału i ogólnej wydajności obwodu CMOS.

Ta konfiguracja umożliwia szybkie i niezawodne przełączanie między stanami logiki o wysokiej i niskiej i niskiej.Integrując oba rodzaje tranzystorów w jednej jednostce, konstrukcja CMOS równoważy ich charakterystykę elektryczną, co prowadzi do bardziej stabilnych i wydajnych operacji obwodów.Ta integracja zmniejsza wielkość i poprawia wydajność nowoczesnych urządzeń elektronicznych, pokazując zaawansowaną inżynierię stojącą za technologią CMOS.

Rozpraszanie mocy falownika CMOS

Kluczową cechą technologii CMOS jest jej wydajność rozpraszania mocy, szczególnie w stanach statycznych lub bezczynnych.Gdy nieaktywny falownik CMOS przyciąga bardzo mało mocy, ponieważ tranzystor „wyłączony” wycieka tylko minimalny prąd.Ta skuteczność jest pomocna w utrzymaniu odpadów energetycznych i przedłużenia żywotności baterii urządzeń przenośnych.

Rysunek 6: Czujniki CMOS- dla kamer przemysłowych

Podczas pracy dynamicznej, gdy falownik zmienia stany, rozpraszanie mocy tymczasowo wzrasta.Ten skok występuje, ponieważ przez krótki moment zarówno tranzystory NMOS, jak i PMOS są częściowo włączone, tworząc krótkotrwałą bezpośrednią ścieżkę przepływu prądu z napięcia zasilania do ziemi.Pomimo tego przejściowego wzrostu ogólne średnie zużycie energii falownika CMOS pozostaje znacznie niższe niż w przypadku starszych technologii, takich jak logika tranzystora-transystora (TTL).

To trwałe zużycie niskiej mocy w różnych trybach operacyjnych zwiększa efektywność energetyczną obwodów CMOS.Dzięki czemu jest idealny do aplikacji, w których dostępność mocy jest ograniczona, takie jak urządzenia mobilne i inne technologie zasilane baterią.

Niski losowanie mocy w stanie ustalonym falowników CMOS generuje mniej ciepła, co zmniejsza naprężenie termiczne na komponentach urządzenia.To zmniejszone wytwarzanie ciepła może przedłużyć żywotność urządzeń elektronicznych, dzięki czemu technologia CMOS jest kluczowym czynnikiem w projektowaniu bardziej zrównoważonych i opłacalnych systemów elektronicznych.

Charakterystyka przenoszenia napięcia DC dla falownika CMOS

Rysunek 7: Optymalizuj obwody pod kątem wydajności mocy i prędkości

Charakterystyka transferu napięcia DC (VTC) falownika CMOS jest głównym narzędziem do zrozumienia jego zachowania.Pokazuje związek między napięciami wejściowymi i wyjściowymi w warunkach statycznych (nie przełączających się), zapewniając wyraźny widok wydajności falownika na różnych poziomach wejściowych.

W dobrze zaprojektowanym falowniku CMOS, w którym tranzystory NMOS i PMO są zrównoważone, VTC jest prawie idealne.Jest symetryczny i ma ostre przejście między wysokimi i niskimi napięciami wyjściowymi przy określonym progu napięcia wejściowego.Ten próg jest punktem, w którym falownik przełącza się z jednego stanu logicznego na inny, szybko zmieniając się z logiki „1” na „0” i odwrotnie.

Precyzja VTC jest pomocna w określeniu zakresów napięcia operacyjnego obwodów cyfrowych.Identyfikuje dokładne punkty, w których wyjście zmienią stany, zapewniając, że sygnały logiczne są jasne i spójne, oraz zmniejszając ryzyko błędów z powodu napięcia V ariat.

Zalety technologii CMOS

Technologia CMOS oferuje niskie statyczne zużycie energii.Dzięki czemu jest bardziej przydatny w aplikacjach elektronicznych, szczególnie w urządzeniach zasilanych baterią, ponieważ wykorzystuje energię tylko podczas transakcji stanu logicznego.

Projektowanie obwodów CMOS z natury upraszcza złożoność, umożliwiając kompaktowy układ o wysokiej gęstości funkcji logicznych na jednym układie.Ta funkcja jest wymagana do ulepszenia mikroprocesorów i układów pamięci, poprawiając możliwości operacyjne bez rozszerzania fizycznej wielkości krzemu.Ta przewaga gęstości pozwala na większą moc przetwarzania na jednostkę powierzchni, ułatwiając postępy w miniaturyzacji technologii i integracji systemu.

Wysoka odporność na hałas CMOS zmniejsza zakłócenia, zapewniając stabilne i niezawodne działanie systemów opartych na CMOS w środowiskach elektronicznych podatnych na szum.Połączenie niskiego zużycia energii, zmniejszonej złożoności i solidnej odporności na hałas utrwala CMO jako fundamentalną technologię w elektronice.Obsługuje szeroki zakres aplikacji, od prostych obwodów po złożone cyfrowe architektury obliczeniowe.

Rysunek 8: Schemat technologii CMOS

Podsumowanie technologii CMOS

Technologia CMOS jest kamieniem węgielnym nowoczesnego projektowania obwodów cyfrowych, przy użyciu zarówno tranzystorów NMOS, jak i PMOS na jednym chipie.To podejście z podwójnym transystorem zwiększa wydajność poprzez uzupełniające się przełączanie i zmniejsza zużycie energii, co jest korzystne w dzisiejszym świecie świadomości energii.

Siła obwodów CMOS wynika z ich niskich wymagań mocy i doskonałej odporności na hałas.Cechy te są przydatne do stworzenia niezawodnego i złożonego cyfrowego obwodu zintegrowanego.Technologia CMOS skutecznie odpowiada zakłóceniom elektrycznym, poprawiając stabilność i wydajność systemów elektronicznych.

Niskie statyczne zużycie energii i niezawodne działanie CMOS sprawiają, że jest to preferowany wybór dla wielu aplikacji.Od elektroniki konsumpcyjnej po wysokiej klasy systemy obliczeniowe, możliwość adaptacji i wydajności CMOS Technology nadal napędzają innowacje w branży elektronicznej.Jego powszechne zastosowanie podkreśla jego znaczenie w rozwoju technologii cyfrowej.

Wniosek

Technologia CMOS stanowi wzór innowacji w dziedzinie projektowania obwodów cyfrowych, nieustannie napędza rozwój elektroniki od podstawowych gadżetów po złożone systemy obliczeniowe.Konfiguracja NMO i PMO na podwójnym transystorze na pojedynczym układie pozwoliła na wydajne przełączanie, minimalne rozpraszanie mocy i wysoki stopień odporności na hałas, dzięki czemu CMO przydatne w tworzeniu gęstych, zintegrowanych obwodów.Zmniejszenie zużycia energii bez poświęcania wydajności udowodniło w erze przenośnych urządzeń zasilanych baterią.Solidność technologii CMOS w zakresie obsługi różnych warunków operacyjnych i środowiskowych poszerzyła jej zastosowania w wielu domenach.W miarę ewolucji technologia CMOS może pomóc w kształtowaniu przyszłego krajobrazu projektowania elektronicznego.Zapewnia, że ​​T pozostaje w czołówce innowacji technologicznych i nadal spełnia rosnące wymagania dotyczące efektywności energetycznej i miniaturyzacji w urządzeniach elektronicznych.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jak CMO działa w cyfrowej elektronice?

Uzupełniająca technologia-semiconductor (CMOS) jest fundamentalna w elektronice cyfrowej, głównie dlatego, że skutecznie kontroluje przepływ energii elektrycznej w urządzeniach.W praktyce obwód CMOS obejmuje dwa rodzaje tranzystorów: NMOS i PMO.Są one ułożone w celu zapewnienia, że ​​tylko jeden z tranzystorów prowadzi jednocześnie, co drastycznie zmniejsza energię zużywaną przez obwód.

Gdy działa obwód CMOS, jeden tranzystor blokuje prąd, podczas gdy drugi pozwala mu przejść.Na przykład, jeśli cyfrowy sygnał „1” (wysokie napięcie) zostanie wprowadzony do falownika CMOS, tranzystor NMOS włącza (prowadzi), a PMO wyłącza się (prąd blokuje), co powoduje niskie napięcie lub „0”na wyjściu.I odwrotnie, wejście „0” aktywuje PMOS i dezaktywuje NMO, co powoduje wysoką moc wyjściową.To przełączanie zapewnia marnowanie minimalnej mocy, dzięki czemu CMO są idealne dla urządzeń takich jak smartfony i komputery, w których wymagana jest wydajność baterii.

2. Jaka jest różnica między MOSFET a CMO?

MOSFET (tranzystor pola-semiconductor-semiconductor-skutek) jest rodzajem tranzystora stosowanego do przełączania sygnałów elektronicznych.Z drugiej strony CMO odnosi się do technologii, która wykorzystuje dwa uzupełniające się typy MOSFET (NMOS i PMO) do tworzenia cyfrowych obwodów logicznych.

Pierwotne rozróżnienie polega na ich zastosowaniu i wydajności.Pojedynczy MOSFET może funkcjonować jako przełącznik lub wzmacniać sygnały, wymagając ciągłego przepływu mocy i potencjalnie generowania większego ciepła.CMO, poprzez integrację zarówno tranzystorów NMOS, jak i PMOS, naprzemiennie używanie jednego lub drugiego, zmniejszając wymaganą moc i wytwarzane ciepło.To sprawia, że ​​CMO są bardziej odpowiednie dla nowoczesnych urządzeń elektronicznych, które wymagają wysokiej wydajności i zwartości.

3. Co się stanie, jeśli wyczyścisz CMO?

Oczyszczanie CMOS na komputerze resetuje ustawienia BIOS (podstawowy system wejściowy/wyjściowy) do ich domyślnych domyślnych ustawień fabrycznych.Często odbywa się to w celu rozwiązywania problemów ze sprzętem lub rozruchami, które mogą powstać z powodu nieprawidłowych lub uszkodzonych ustawień BIOS.

Aby wyczyścić CMOS, zazwyczaj krótko skrócisz określoną parę pinów na płycie głównej za pomocą skoczka lub usuwasz akumulator CMOS na kilka minut.Ta akcja spłukuje niestabilną pamięć w BIOS, usuwając wszelkie konfiguracje, takie jak kolejność rozruchu, czas systemu i ustawienia sprzętowe.Po wyczyszczeniu CMO może być konieczne ponowne skonfigurowanie ustawień BIOS zgodnie z potrzebami obliczeniowymi lub kompatybilnością sprzętową.

4. Co zastąpi CMO?

Chociaż technologia CMOS jest nadal powszechna, trwające badania mają na celu opracowanie alternatyw, które mogą potencjalnie zapewnić większą wydajność, szybkość i integrację, gdy technologia zmniejsza się.

Tranzystory grafenowe są badane pod kątem ich wyjątkowych właściwości elektrycznych, takich jak wyższa mobilność elektronów niż krzem, co może prowadzić do szybszych prędkości przetwarzania.

Wykorzystuje bity kwantowe, które mogą istnieć jednocześnie w wielu stanach, oferując wzrost prędkości wykładniczej dla określonych obliczeń.

Spintronics: Wykorzystuje spin elektronów, a nie ich ładunku, do kodowania danych, potencjalnie zmniejszając zużycie energii i zwiększając możliwości przetwarzania danych.

Chociaż technologie te są obiecujące, przejście z CMO do nowego standardu w cyfrowej elektronice będzie wymagało przezwyciężenia wyzwań technicznych i znacznych inwestycji w nowe technologie produkcyjne.Na razie CMO pozostaje najbardziej praktyczną i szeroko stosowaną technologią w projektowaniu obwodów cyfrowych ze względu na jego niezawodność i opłacalność.