Въведение в CMOS технологията
2024-07-09 6582

Еволюцията на цифровата електроника е оформена от разработването на допълнителна технология с металооксид-оксид-оксид (CMOS).Включен в отговор на необходимостта от по -бързи скорости на обработка и по -ефективна консумация на енергия, CMOS технологията революционизира дизайна на веригата с иновативния си подход за управление на целостта на мощността и сигнала.За разлика от биполярните транзисторни устройства (BJT), които зависят от токовия поток, CMOS устройствата използват механизми, контролирани от напрежението, които значително намаляват тока на портата, като по този начин минимизират загубата на мощност.Тази технология за първи път придоби сцепление в потребителската електроника през 70-те години на миналия век, като например в електронните часовници, но през 80-те години на появата на много голяма интеграция (VLSI) през 80-те години на миналия век наистина циментира позицията на CMOS като Cornerstone в съвременната електроника.ERA стана свидетел на технологията CMOS, повишаваща надеждността на веригата, съпротивлението на шума и производителността при различни температури и напрежения, като същевременно опростява цялостния процес на проектиране.Тези подобрения не само увеличават броя на транзистора от хиляди на милиони на един чип, но и разширяват функционалността на CMOS както на цифрови, така и на смесени сигнални VLSI дизайни, превъзхождайки по-старите технологии като транзистор-Трансистор логика (TTL) поради превъзходната си скорост иоперации с по -ниско напрежение.

Каталог

Разбиране на технологията CMOS

Разработването на допълнителна технология за металооксид-оксид-димикон-труд (CMOS) е огромна част от развитието на дизайна на цифровите вериги.Той се появи главно поради необходимостта от по -бърза обработка и по -ниска консумация на енергия.За разлика от биполярните съединителни транзисторни (BJT) устройства, които зависят от потока на тока, CMOS използва механизми, контролирани от напрежението.Основната разлика помага да се намали токът на портата, като намалява значително загубата на мощност.През 70 -те години CMOS се използва главно в потребителската електроника, като електронни часовници.

Пейзажът се променя през 80-те години на миналия век с появата на много голяма технология за интеграция (VLSI), която силно прие CMOS по няколко причини.CMOS използва по -малко мощност, предлага по -добро съпротивление на шума и се представя добре при различни температури и напрежения.Той също така опростява дизайна на веригата, което увеличава надеждността и гъвкавостта.Тези характеристики позволиха огромно увеличение на плътността на интеграцията на чипове на базата на CMOS, преминавайки от хиляди на милиони транзистори на чип.

Днес CMOS е полезен както за цифрови, така и за смесени сигнални VLSI дизайни, превъзхождайки по-старите технологии като Transistor-Transistor Logic (TTL) поради своята превъзходна скорост и ефективност при по-ниски напрежения.Широкото му използване подчертава трансформативното въздействие на CMOS върху съвременната електроника, което го прави технологията за всичко-от ежедневните джаджи до модерните изчислителни системи.

Фигура 1: Използвайте за балансиране на електрическите характеристики

Принцип на работа на CMOS

Основният принцип на допълващия технологията металооксид-семикопроводник (CMOS) използва двойка N-тип и P-тип транзистори за създаване на ефективни логически схеми.Един входен сигнал контролира поведението на превключване на тези транзистори, като изключва единия, докато изключва другия.Този дизайн елиминира необходимостта от традиционни резистори за изтегляне, използвани в други полупроводникови технологии, опростявайки дизайна и подобрява енергийната ефективност.

При настройка на CMOS, N-тип MOSFET (метални оксид-семикопроводници полеви транзистори) образуват намаляване на мрежата, свързваща изхода на логическата порта към захранване с ниско напрежение, обикновено земята (VSS).Това замества натоварването на резисторите в по -старите логически вериги на NMOS, които бяха по -малко ефективни при управление на преходите на напрежението и по -предразположени към загуба на мощност.И обратно, P-тип MOSFET създават мрежа за изтегляне, която свързва изхода към по-високо захранване на напрежението (VDD).Това подреждане с двойна мрежа гарантира, че изходът се контролира стабилно и предвидимо за всеки даден вход.

Когато портата на P-тип MOSFET е активирана, тя включва, докато съответният N-тип MOSFET изключва и обратно.Това взаимодействие не само опростява архитектурата на веригата, но също така подобрява оперативната надеждност и функционалност на устройството.CMOS технологията е полезна за потребителите, които се нуждаят от надеждни и ефективни електронни системи.

Фигура 2: Въведение в CMOS Tech

Инверторът

Инверторът е основен елемент в дизайна на цифровите вериги, особено за бинарни аритметични и логически операции.Основната функция е да се обърне входният сигнал в нивата на двоична логика.Казано по -просто, „0“ се счита за нисък или нулев волта, а „1“ е висок или V волта.Когато инверторът получи вход от 0 волта, той извежда V волта и когато получава V волта, той извежда 0 волта.

Таблицата за истината обикновено демонстрира функцията на инвертора, като изброява всички възможни входове и съответните им изходи.Тази таблица ясно показва, че входът на '0' произвежда изход от '1', а входът от '1' води до изход от '0'.Този процес на инверсия е необходим за логически решения и обработка на данни в изчислителните и цифровите системи.

Работата на инвертора е необходима за по -сложни цифрови взаимодействия.Той дава възможност за плавно изпълнение на изчислителни задачи от по-високо ниво и спомага ефективно за управлението на потока на данни в схемите.

Таблица 1: Таблица за истината на инвертора

Инверторът на CMOS

CMOS инверторът е модел на ефективност в електрониката, включващ прост дизайн с NMOS и PMOS транзистори, свързани последователно.Техните порти са вързани заедно като вход, а канализациите им са свързани, за да образуват изхода.Това подреждане намалява разсейването на мощността, оптимизира веригата за енергийна ефективност.

Когато входният сигнал е висок (логика '1'), NMOS транзисторът се включва, провеждайки ток и дърпа изхода до ниско състояние (логика '0').В същото време транзисторът PMOS е изключен, изолирайки положителното захранване от продукцията.Обратно, когато входът е нисък (логика '0'), транзисторът NMOS се изключва и PMOS транзисторът се включва, насочвайки изхода до високо състояние (логика '1').

Тази координация между транзисторите на NMOS и PMOS позволява на инвертора да поддържа стабилен изход, въпреки входното напрежение V ariat йони.Като гарантира, че един транзистор винаги е изключен, докато другият е включен, CMOS инверторът запазва мощността и предотвратява директен електрически път от захранването до земята.Това ще помогне да се предотврати ненужното източване на мощността.Тази настройка с двоен транзистор определя основната роля на CMOS Inverter в цифровата схема, осигуряваща надеждна логическа инверсия с минимална консумация на енергия и висока цялост на сигнала.

Фигура 3: Logic Gates CMOS

Инверторът на NMOS

Инверторът на NMOS е изграден с помощта на ясна и ефективна настройка.В тази конфигурация портата служи като вход, източването функционира като изход, а източникът и субстрата са заземени.Ядрото на тази подредба е N-канален MOSFET тип подобрение.Положително напрежение се прилага към изтичането чрез натоварващ резистор, за да се установи правилното пристрастие.

Когато входът на портата е заземен, представляващ логика '0', на портата няма напрежение.Тази липса на напрежение предотвратява образуването на проводим канал в MOSFET, което го прави отворена верига с високо съпротивление.В резултат на това минималният ток тече от изтичането към източника, което води до повишаване на изходното напрежение близо до +V, което съответства на логика „1“.Когато към портата се прилага положително напрежение, то привлича електрони към интерфейса на оксид на портата, образувайки N-тип канал.Този канал намалява съпротивлението между източника и дренажа, което позволява на тока да тече и изпуска изходното напрежение до почти нивото на земята или логиката '0'.

Тази операция показва инвертора на NMOS като ефективно устройство за сваляне, полезно за бинарни задачи за превключване.Полезно е да се признае, че тази настройка има тенденция да консумира повече власт, когато е в състоянието „на“.Увеличената консумация на енергия възниква от непрекъснатия ток, изтичащ от захранването към земята, когато транзисторът е активен, подчертавайки ключов оперативен компромис в дизайна на инвертора на NMOS.

Инверторът на PMOS

Фигура 4: Основи на CMOS ICS

Инверторът на PMOS е структуриран подобно на NMOS инвертора, но с обърнати електрически връзки.В тази настройка се използва транзистор PMOS с положително напрежение, приложено както към субстрата, така и към източника, докато резисторът на товара е свързан към земята.

Когато входното напрежение е високо при +V (логика '1'), напрежението на портата към източника става нула, изключвайки транзистора 'изключване'.Това създава път с високо съпротивление между източника и изтичането, като поддържа ниско напрежението на изхода при логика '0'.

Когато входът е на 0 волта (логика '0'), напрежението на вратата към източника става отрицателно спрямо източника.Това отрицателно напрежение зарежда кондензатора на портата, обърнала полупроводниковата повърхност от N-тип към P-тип и образувайки проводим канал.Този канал драстично понижава съпротивлението между източника и изтичането, което позволява на тока да тече свободно от източника към канализацията.В резултат на това изходното напрежение се повишава близо до захранващото напрежение +V, съответстващо на логика „1“.

По този начин транзисторът на PMOS действа като устройство за изтегляне, което осигурява ниско съпротивление към положителното напрежение на захранването при активиране.Това прави PMOS инвертора основен компонент за създаване на стабилна и надеждна логическа инверсия.Той гарантира, че изходът е силно задвижван до високото състояние, когато е необходимо.

Напречно сечение на CMOS

Фигура 5: напречно сечение на CMOS портата

CMOS чип комбинира транзистори на NMOS и PMOS върху един силиконов субстрат, образувайки компактна и ефективна инверторна верига.Прегледът на напречно сечение на тази настройка показва стратегическото поставяне на тези транзистори, оптимизиране на функционалността и намаляване на електрическите смущения.

Транзисторът PMOS е вграден в N-тип субстрат, докато NMOS транзисторът се поставя в отделна зона на P-тип, наречена P-Well.Това споразумение гарантира, че всеки транзистор работи при оптимални условия.P-кладенците действат като оперативно място за транзистора на NMOS и изолират електрическите пътища на транзисторите на NMOS и PMOS, предотвратявайки смущения.Тази изолация е полезна за поддържане на целостта на сигнала и цялостната производителност на CMOS.

Тази конфигурация позволява на чипа да превключва бързо и надеждно между състояния с високи и ниски логически състояния.Чрез интегриране на двата типа транзистори в едно устройство, CMOS проектира балансира техните електрически характеристики, което води до по -стабилни и ефективни операции на веригата.Тази интеграция намалява размера и подобрява производителността на съвременните електронни устройства, показвайки усъвършенстваното инженерство зад CMOS технологията.

Разсейване на мощността на инвертор на CMOS

Основна характеристика на CMOS технологията е неговата ефективност в разсейването на мощността, особено в статичните или празни състояния.Когато е неактивен, инверторът на CMOS привлича много малко мощност, тъй като транзисторът "OFF" изтича само минимален ток.Тази ефективност е полезна за поддържане на енергийните отпадъци и удължаване на живота на батерията на преносимите устройства.

Фигура 6: CMOS сензори- за индустриални камери

По време на динамична работа, когато инверторът превключва, разсейването на мощността временно се увеличава.Този шип възниква, защото за кратък момент и транзисторите на NMOS и PMOS са частично включени, създавайки краткотраен директен път за ток на потока от захранващото напрежение към земята.Въпреки това преходно увеличение, общата средна консумация на енергия на инвертор на CMOS остава много по-ниска от тази на по-старите технологии като транзистор-Трансистор логика (TTL).

Това устойчиво използване на ниска мощност в различни оперативни режими повишава енергийната ефективност на CMOS веригите.Което го прави идеален за приложения, при които наличието на мощност е ограничено, като мобилни устройства и други технологии, захранвани с батерии.

Ниската стационарна мощност на инверторите на CMOS генерира по-малко топлина, което намалява топлинното напрежение върху компонентите на устройството.Това намалено генериране на топлина може да удължи живота на електронните устройства, което прави CMOS технологията ключов фактор за проектирането на по-устойчиви и рентабилни електронни системи.

DC трансфер на напрежение, характерна за инвертора на CMOS

Фигура 7: Оптимизиране на веригите за ефективност на мощността и скоростта

Характеристиката на трансфер на постояннотоково напрежение (VTC) на CMOS инвертор е основен инструмент за разбиране на поведението му.Той показва връзката между входните и изходните напрежения при статични (не-превключващи) условия, осигурявайки ясен поглед върху производителността на инвертора в различни входни нива.

В добре проектиран CMOS инвертор, където NMOS и PMOS транзисторите са балансирани, VTC е почти идеален.Той е симетричен и има остър преход между високо и ниско изходно напрежение при специфичен праг на входно напрежение.Този праг е точката, в която инверторът преминава от едно логическо състояние в друго, бързо се променя от логиката „1“ към '0' и обратно.

Прецизността на VTC е полезна за определяне на диапазоните на работното напрежение на цифровите вериги.Той идентифицира точните точки, в които изходът ще се променя, като гарантира, че логическите сигнали са ясни и последователни, и намалява риска от грешки поради напрежение V ariat йони.

Предимства на CMOS технологията

CMOS технологията предлага ниска статична консумация на енергия.Правейки го по-полезен за електронните приложения, особено в устройства с захранване на батерии, тъй като използва енергия само по време на транзакции на логически състояния.

Дизайнът на CMOS вериги по своята същност опростява сложността, което позволява компактно разположение с висока плътност на логическите функции на един чип.Тази функция е необходима за подобряване на микропроцесорите и чиповете на паметта, подобряване на оперативните възможности, без да се разширява физическият размер на силиций.Това предимство на плътността позволява повече мощност на обработка на единица зона, улеснявайки напредъка в технологичната миниатюризация и интеграцията на системата.

Високият имунитет на CMOS Technology намалява смущения, осигурявайки стабилна и надеждна работа на системи, базирани на CMOS, в електронна среда, предразположена към шум.Комбинацията от ниска консумация на енергия, намалена сложност и стабилен имунитет на шум втвърдява CMOS като основополагаща технология в електрониката.Той поддържа широк спектър от приложения, от прости схеми до сложни архитектури за цифрови изчисления.

Фигура 8: Диаграма на CMOS технологията

Резюме на CMOS технологията

CMOS технологията е крайъгълен камък на съвременния дизайн на цифрови вериги, използвайки както NMOS, така и PMOS транзистори на един чип.Този двоен транзисторен подход повишава ефективността чрез допълващо превключване и намалява консумацията на енергия, което е полезно в днешния енергиен свят.

Силата на CMOS веригите идва от техните ниски изисквания за мощност и отличен имунитет на шума.Тези черти са полезни за създаване на надеждна и сложна цифрова интегрална схема.CMOS технологията ефективно се съпротивлява на електрическите смущения, подобрявайки стабилността и работата на електронните системи.

Ниската статична консумация на мощност на CMOS и надеждната работа го правят предпочитаният избор за много приложения.От потребителската електроника до изчислителните системи от висок клас, адаптивността и ефективността на CMOS Technology продължават да стимулират иновациите в индустрията на електрониката.Широкото му използване подчертава важността му за напредването на цифровите технологии.

Заключение

CMOS технологията стои като парагон на иновациите в областта на дизайна на цифровите вериги, като непрекъснато стимулира напредъка на електрониката от основни джаджи до сложни изчислителни системи.Двупресистерната настройка на NMOS и PMOS на един чип позволи ефективно превключване, минимално разсейване на мощността и висока степен на имунитет на шума, което прави CMO полезни при създаването на плътни, интегрирани вериги.Намаляването на консумацията на енергия без жертва на производителността е доказано в ерата на преносимите устройства с батерия.Устойчивостта на технологията CMOS при справяне с различни оперативни и екологични условия разшири приложенията му в многобройни домейни.Докато продължава да се развива, CMOS технологията може да помогне за оформянето на бъдещия пейзаж на електронния дизайн.Той гарантира, че оста на преден план в технологичните иновации и продължава да отговаря на нарастващите изисквания за енергийна ефективност и миниатюризация в електронните устройства.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Как CMO работят в цифровата електроника?

Технологията на комплементарната метала-оксид-семикопроводник (CMOS) е основополагаща в цифровата електроника, предимно защото ефективно контролира потока на електричеството в устройствата.На практика веригата CMOS включва два вида транзистори: NMOS и PMOS.Те са подредени, за да се гарантира, че само един от транзисторите провежда наведнъж, което драстично намалява енергията, консумирана от веригата.

Когато CMOS верига работи, единият транзистор блокира тока, докато другата го оставя да премине.Например, ако цифров сигнал от „1“ (високо напрежение) се въвежда в CMOS инвертор, NMOS транзисторът се включва (провежда) и PMOS се изключва (блокира тока), което води до ниско напрежение или '0'при изхода.Обратно, вход на '0' активира PMOS и деактивира NMOS, което води до висок изход.Това превключване гарантира, че минималната мощност се губи, което прави CMOS идеални за устройства като смартфони и компютри, където е необходима ефективност на батерията.

2. Каква е разликата между MOSFET и CMOS?

MOSFET (метален оксид-семико-опровержен транзистор на полето) е вид транзистор, използван за превключване на електронни сигнали.CMOS, от друга страна, се отнася до технология, която използва два допълнителни типа MOSFET (NMOS и PMOS) за създаване на цифрови логически схеми.

Основното разграничение се крие в тяхното приложение и ефективност.Един MOSFET може да функционира като превключвател или усилващ сигнали, като изисква непрекъснат поток от мощност и потенциално генерира повече топлина.CMOS, като интегрира както NMOS, така и PMOS транзистори, се редува между използването на единия или друг, намалявайки необходимата мощност и генерирана топлина.Това прави CMO по -подходящи за съвременни електронни устройства, които изискват висока ефективност и компактност.

3. Какво се случва, ако изчистите CMOS?

Изчистването на CMOS на компютър Нулиране на настройките на BIOS (основна входна/изходна система) към техните фабрични по подразбиране.Това често се прави за отстраняване на проблеми с хардуера или зареждането, които могат да възникнат поради неправилни или повредени настройки на BIOS.

За да изчистите CMOS, обикновено късате определен чифт щифтове на дънната платка с джъмпер или изваждате CMOS батерията за няколко минути.Това действие промива летливата памет в BIOS, изтривайки всякакви конфигурации като поръчка за зареждане, време на системата и хардуерни настройки.След като изчистите CMOS, може да се наложи да преконфигурирате настройките на BIOS според вашите изчислителни нужди или хардуерна съвместимост.

4. Какво ще замени CMOS?

Докато CMOS технологията все още е разпространена, текущите изследвания имат за цел да разработят алтернативи, които потенциално биха могли да предложат по -голяма ефективност, скорост и интеграция, тъй като технологията се намалява допълнително.

Графеновите транзистори се изследват заради изключителните си електрически свойства, като по -висока мобилност на електрон от силиций, което може да доведе до по -бързи скорости на обработка.

Използва квантовите битове, които могат да съществуват в множество състояния едновременно, предлагайки експоненциално увеличение на скоростта за конкретни изчисления.

Spintronics: Използва завъртането на електрони, а не техния заряд, за да кодира данни, потенциално намалявайки консумацията на енергия и увеличаване на възможностите за обработка на данни.

Въпреки че тези технологии са обещаващи, преминаването от CMOS към нов стандарт в цифровата електроника ще изисква преодоляване на техническите предизвикателства и значителни инвестиции в нови производствени технологии.Към момента CMOS остава най-практичната и широко използвана технология в дизайна на цифровите вериги поради неговата надеждност и ефективност на разходите.