Een inleiding tot CMOS -technologie
2024-07-09 6625

De evolutie van digitale elektronica is gevormd door de ontwikkeling van complementaire metaal-oxide-halfgeleider (CMOS) -technologie.Opkomende in reactie op de behoefte aan snellere verwerkingssnelheden en efficiënter stroomverbruik, heeft CMOS -technologie een revolutie teweeggebracht in het circuitontwerp met zijn innovatieve benadering voor het beheren van kracht en signaalintegriteit.In tegenstelling tot de bipolaire junctie transistor (BJT) -apparaten, die afhankelijk zijn van de stroomstroom, gebruiken CMOS-apparaten spanningsgestuurde mechanismen die de poortstroom aanzienlijk verminderen, waardoor het vermogensverlies wordt geminimaliseerd.Deze technologie kreeg voor het eerst grip in de consumentenelektronica in de jaren zeventig, zoals in elektronische horloges, maar het was de komst van zeer grote schaalintegratie (VLSI) in de jaren tachtig die de positie van CMO's echt bevestigde als hoeksteen in de moderne elektronica.Het tijdperk was getuige van CMOS -technologie die circuitbetrouwbaarheid, geluidsweerstand en prestaties vergroot bij verschillende temperaturen en spanningen, terwijl het totale ontwerpproces vereenvoudigde.Deze verbeteringen verhoogden niet alleen het aantal transisten van duizenden tot miljoenen op een enkele chip, maar breidden ook de functionaliteit van CMO's uit naar zowel digitale als gemengd-signaal VLSI-ontwerpen, het beter presteren van oudere technologieën zoals transistor-transistor logic (TTL) vanwege de superieure snelheid enLagere spanningsbewerkingen.

Catalogus

Inzicht in CMOS -technologie

De ontwikkeling van complementaire metaal-oxide-halfgeleider (CMOS) -technologie is een groot deel geweest bij het bevorderen van digitaal circuitontwerp.Het kwam voornamelijk naar voren vanwege de noodzaak van snellere verwerking en lagere energieverbruik.In tegenstelling tot bipolaire junction transistor (BJT) apparaten, die afhankelijk zijn van de stroomstroom, gebruikt CMOS spanningsgecontroleerde mechanismen.Het grote verschil helpt de stroom bij de poort te verminderen, waardoor het stroomverlies aanzienlijk wordt verlaagd.In de jaren zeventig werd CMOS voornamelijk gebruikt in consumentenelektronica, zoals elektronische horloges.

Het landschap veranderde in de jaren 1980 met de komst van zeer grote schaal Integration (VLSI) -technologie, die om verschillende redenen zwaar CMO's heeft overgenomen.CMOS gebruikt minder vermogen, biedt betere geluidsweerstand en presteert goed bij verschillende temperaturen en spanningen.Het vereenvoudigt ook het circuitontwerp dat de betrouwbaarheid en flexibiliteit verhoogt.Deze functies maakten een enorme toename van de integratiedichtheid van op CMOS gebaseerde chips mogelijk, die van duizenden naar miljoenen transistors per chip overstapten.

Tegenwoordig is CMOS nuttig voor zowel digitale als gemengd-signaal-VLSI-ontwerpen, wat beter presteert dan oudere technologieën zoals transistor-transistor logica (TTL) vanwege zijn superieure snelheid en efficiëntie bij lagere spanningen.Het wijdverbreide gebruik benadrukt de transformerende impact van CMO's op moderne elektronica, waardoor het de go-to-technologie is voor alles, van dagelijkse gadgets tot geavanceerde computersystemen.

Figuur 1: Gebruik om elektrische kenmerken in evenwicht te brengen

Werkprincipe van CMO's

Het kernprincipe van complementaire metaal-oxide-halfgeleider (CMOS) -technologie maakt gebruik van een paar N-type en P-type transistoren om efficiënte logische circuits te creëren.Een enkel ingangssignaal regelt het schakelgedrag van deze transistoren en zet het ene aan terwijl de andere wordt uitgeschakeld.Dit ontwerp elimineert de behoefte aan traditionele pull-upweerstanden die worden gebruikt in andere halfgeleidertechnologieën, waardoor het ontwerp wordt vereenvoudigd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd.

In een CMOS-opstelling vormen N-type MOSFET's (metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistoren) een pull-down netwerk dat de uitgang van de logische poort verbindt met een laagspanningsvoorraad, meestal grond (VSS).Dit vervangt de belastingsweerstanden in oudere NMOS -logische circuits, die minder effectief waren bij het beheer van spanningsovergangen en meer vatbaar voor stroomverlies.Omgekeerd maken P-type MOSFET's een pull-up netwerk dat de uitgang verbindt met een hogere spanningsvoorraad (VDD).Deze opstelling met twee netwerk zorgt ervoor dat de uitgang stabiel en voorspelbaar wordt geregeld voor een bepaalde invoer.

Wanneer de poort van een P-type MOSFET wordt geactiveerd, schakelt deze in terwijl de overeenkomstige N-type MOSFET uitschakelt en vice versa.Dit samenspel vereenvoudigt niet alleen de circuitarchitectuur, maar verbetert ook de operationele betrouwbaarheid en functionaliteit van het apparaat.CMOS -technologie is gunstig voor gebruikers die betrouwbare en efficiënte elektronische systemen nodig hebben.

Figuur 2: Inleiding tot CMOS Tech

De omvormer

De omvormer is een primair element in het ontwerp van het digitale circuit, met name voor binaire rekenkundige en logische bewerkingen.De hoofdfunctie is om het ingangssignaal binnen binaire logische niveaus om te keren.In eenvoudige bewoordingen wordt een '0' beschouwd als laag of nul volt en is een '1' hoog of V volt.Wanneer een omvormer een ingang van 0 volt ontvangt, voert deze V volt uit en wanneer deze V Volts ontvangt, wordt het 0 volt.

Een waarheidstabel toont meestal de functie van de omvormer door alle mogelijke invoer en hun overeenkomstige uitgangen op te sommen.Deze tabel laat duidelijk zien dat een invoer van '0' een uitgang van '1' produceert, en een invoer van '1' resulteert in een output van '0'.Dit inversieproces is vereist voor logische beslissingen en gegevensverwerking in computing en digitale systemen.

De werking van de omvormer is vereist voor complexere digitale interacties.Het maakt de soepele uitvoering van computationele taken op een hoger niveau mogelijk en helpt bij het effectief beheren van gegevensstroom binnen circuits.

Tabel 1: Inverter Truth Table

De CMOS -omvormer

De CMOS -omvormer is een efficiëntiemodel in elektronica, met een eenvoudig ontwerp met NMOS en PMOS -transistors die in serie zijn aangesloten.Hun poorten zijn samengebonden als de invoer en hun afvoeren zijn verbonden om de uitgang te vormen.Deze opstelling vermindert vermogensdissipatie, waardoor het circuit voor energie -efficiëntie wordt geoptimaliseerd.

Wanneer het ingangssignaal hoog is (logica '1'), schakelt de NMOS -transistor in, voert stroom uit en trekt de uitgang naar een lage toestand (logica '0').Tegelijkertijd is de PMOS -transistor uitgeschakeld en de positieve toevoer van de uitgang isoleert.Omgekeerd, wanneer de invoer laag is (logica '0'), wordt de NMOS -transistor uitgeschakeld en wordt de PMOS -transistor ingeschakeld, waardoor de uitgang naar een hoge toestand wordt gedreefd (logica '1').

Met deze coördinatie tussen de NMOS- en PMOS -transistoren kan de omvormer een stabiele output behouden, ondanks ingangsspanning V ariat -ionen.Door ervoor te zorgen dat de ene transistor altijd is uitgeschakeld terwijl de andere is, behoudt de CMOS -omvormer het vermogen en voorkomt een direct elektrisch pad van de voeding naar de grond.Het zal helpen onnodige stroomafvoer te voorkomen.Deze opstelling met dubbele transistor definieert de primaire rol van de CMOS-omvormer in digitale circuits en biedt betrouwbare logica-inversie met minimaal energieverbruik en een hoge signaalintegriteit.

Figuur 3: CMOS Logic Gates

De NMOS -omvormer

De NMOS -omvormer is gebouwd met behulp van een eenvoudige en efficiënte opstelling.In deze configuratie dient de poort als de invoer, de afvoerfuncties als de uitgang en zowel de bron als het substraat zijn geaard.De kern van deze opstelling is een verbeteringstype N-kanaal MOSFET.Een positieve spanning wordt op de afvoer toegepast via een belastingsweerstand om de juiste biasing vast te stellen.

Wanneer de poortinvoer is geaard, die een logica '0' vertegenwoordigt, is er geen spanning aanwezig bij de poort.Dit gebrek aan spanning voorkomt dat zich een geleidend kanaal vormt in de MOSFET, waardoor het een open circuit met hoge weerstand is.Als gevolg hiervan stroomt minimale stroom van de afvoer naar de bron, waardoor de uitgangsspanning dicht bij +V stijgt, wat overeenkomt met een logica '1'.Wanneer een positieve spanning op de poort wordt toegepast, trekt deze elektronen aan naar het interface van de poortoxide en vormt een N-type kanaal.Dit kanaal vermindert de weerstand tussen de bron en de afvoer, waardoor de stroom kan stromen en de uitgangsspanning tot bijna grondniveau kan laten vallen, of logica '0'.

Deze bewerking toont de NMOS-omvormer als een effectief pull-down-apparaat, nuttig voor binaire schakeltaken.Het is handig om te erkennen dat deze opstelling de neiging heeft om meer kracht te consumeren in de 'On' -status.Het verhoogde stroomverbruik komt voort uit de continue stroom die stroomt van de voeding naar de grond wanneer de transistor actief is, wat een belangrijke operationele afweging benadrukt in het NMOS-omvormerontwerp.

De PMOS -omvormer

Figuur 4: CMOS ICS Basics

De PMOS -omvormer is op dezelfde manier gestructureerd als de NMOS -omvormer maar met omgekeerde elektrische verbindingen.In deze opstelling wordt een PMOS -transistor gebruikt met een positieve spanning die wordt toegepast op zowel het substraat als de bron, terwijl de belastingsweerstand is verbonden met de grond.

Wanneer de ingangsspanning hoog is bij +V (logica '1'), wordt de gate-to-source spanning nul, waardoor de transistor 'wordt uitgeschakeld'.Dit creëert een hoog weerstandspad tussen de bron en de afvoer, waardoor de uitgangsspanning laag houdt bij logica '0'.

Wanneer de ingang op 0 volt is (logica '0'), wordt de gate-to-source spanning negatief ten opzichte van de bron.Deze negatieve spanning laadt de gate-condensator op, om het halfgeleideroppervlak van het n-type tot p-type omkeert en een geleidend kanaal vormt.Dit kanaal verlaagt drastisch de weerstand tussen de bron en de afvoer, waardoor de stroom vrij kan stromen van de bron naar de afvoer.Als gevolg hiervan stijgt de uitgangsspanning dicht bij de voedingsspanning +V, overeenkomend met een logica '1'.

Op deze manier werkt de PMOS-transistor als een pull-up-apparaat, die een laag weerstandspad bieden naar de positieve voedingsspanning wanneer geactiveerd.Dit maakt de PMOS -omvormer een primaire component bij het creëren van stabiele en betrouwbare logische inversie.Het zorgt ervoor dat de output sterk naar de hoge toestand wordt gedreven wanneer dat nodig is.

Dwarsdoorsnede van een CMO's

Figuur 5: Dwarsdoorsnede van CMOS -poort

Een CMOS -chip combineert NMOS- en PMOS -transistors op een enkel siliconensubstraat, waardoor een compact en efficiënt omvormercircuit wordt gevormd.Het bekijken van een dwarsdoorsnede van deze opstelling toont de strategische plaatsing van deze transistoren, het optimaliseren van functionaliteit en het verminderen van elektrische interferentie.

De PMOS-transistor is ingebed in het N-type substraat, terwijl de NMOS-transistor wordt geplaatst in een afzonderlijk P-type gebied genaamd de P-Well.Deze opstelling zorgt ervoor dat elke transistor onder optimale omstandigheden werkt.De P-Well fungeert als de operationele grond voor de NMOS-transistor en isoleert de elektrische paden van de NMOS- en PMOS-transistoren, waardoor interferentie wordt voorkomen.Deze isolatie is nuttig om signaalintegriteit en algehele CMOS -circuitprestaties te handhaven.

Met deze configuratie kan de chip snel en betrouwbaar tussen hoge en lage logische toestanden schakelen.Door beide soorten transistoren in één eenheid te integreren, balanceert het CMOS -ontwerp hun elektrische kenmerken, wat leidt tot stabielere en efficiënte circuitbewerkingen.Deze integratie vermindert de grootte en verbetert de prestaties van moderne elektronische apparaten, met de geavanceerde engineering achter CMOS -technologie.

Power -dissipatie van een CMOS -omvormer

Een belangrijk kenmerk van CMOS -technologie is de efficiëntie van vermogensdissipatie, vooral in statische of inactieve toestanden.Wanneer inactief, trekt een CMOS -omvormer heel weinig vermogen, omdat de "uit" transistor slechts een minimale stroom lekt.Deze effectiviteit is nuttig om het energieverspilling te behouden en de levensduur van de batterij van draagbare apparaten te verlengen.

Figuur 6: CMOS-sensoren- voor industriële camera's

Tijdens de dynamische werking, wanneer de omvormer van toestand schakelt, neemt de vermogensdissipatie tijdelijk toe.Deze piek treedt op omdat zowel de NMOS- als PMOS-transistoren gedeeltelijk zijn ingeschakeld, waardoor een kortstondig direct pad ontstaat voor stroomstroom van de voedingsspanning naar de grond.Ondanks deze tijdelijke toename, blijft het totale gemiddelde stroomverbruik van een CMOS-omvormer veel lager dan dat van oudere technologieën zoals transistor-transistor logica (TTL).

Dit aanhoudende lage stroomgebruik over verschillende operationele modi verbetert de energie -efficiëntie van CMOS -circuits.Waardoor het ideaal is voor applicaties waar de beschikbaarheid van de stroom beperkt is, zoals mobiele apparaten en andere technologieën voor batterijen.

De lage steady-state vermogensafname van CMOS-omvormers genereert minder warmte die de thermische spanning op apparaatcomponenten vermindert.Deze verminderde hitte-generatie kan de levensduur van elektronische apparaten verlengen, waardoor CMOS-technologie een sleutelfactor is bij het ontwerpen van duurzamere en kosteneffectieve elektronische systemen.

De DC -spanningsoverdrachtkenmerken van de CMOS -omvormer

Figuur 7: Optimaliseer circuits voor vermogen en snelheidsefficiëntie

De DC -spanningsoverdrachtkenmerken (VTC) van een CMOS -omvormer is een primair hulpmiddel om het gedrag ervan te begrijpen.Het toont de relatie tussen input- en uitgangsspanningen in statische (niet-schakel) omstandigheden, waardoor een duidelijk beeld wordt gegeven van de prestaties van de omvormer over verschillende invoerniveaus.

In een goed ontworpen CMOS-omvormer, waar de NMOS- en PMOS-transistoren in evenwicht zijn, is de VTC bijna ideaal.Het is symmetrisch en heeft een scherpe overgang tussen hoge en lage uitgangsspanningen bij een specifieke ingangsspanningsdrempel.Deze drempel is het punt waar de omvormer van de ene logische status naar de andere overstapt, snel verandert van logica '1' naar '0' en vice versa.

De precisie van de VTC is nuttig om de operationele spanningsbereiken van digitale circuits te bepalen.Het identificeert de exacte punten waarbij de uitgang van toestand zal veranderen, zodat logische signalen duidelijk en consistent zijn en het risico op fouten als gevolg van spanning V ariat -ionen vermindert.

Voordelen van CMOS -technologie

CMOS -technologie biedt een laag statisch stroomverbruik.Bruikbaarder maken voor elektronische toepassingen, vooral in apparaten op batterijen, omdat het alleen energie gebruikt tijdens logische statustransacties.

Het ontwerp van CMOS-circuits vereenvoudigt inherent de complexiteit, waardoor een compacte, hoge dichtheidsopstelling van logische functies op een enkele chip mogelijk is.Deze functie is vereist om microprocessors en geheugenchips te verbeteren, waardoor operationele mogelijkheden worden verbeterd zonder de fysieke grootte van het silicium uit te breiden.Dit dichtheidsvoordeel zorgt voor meer verwerkingsvermogen per eenheidsgebied, waardoor de vooruitgang in technologische miniaturisatie en systeemintegratie wordt vergemakkelijkt.

De hoge ruisimmuniteit van CMOS-technologie vermindert interferentie en zorgt voor een stabiele en betrouwbare werking van op CMOS gebaseerde systemen in elektronische ruisgevoelige omgevingen.De combinatie van laag stroomverbruik, verminderde complexiteit en robuuste ruisimmuniteit stolt CMO's als een fundamentele technologie in elektronica.Het ondersteunt een breed scala aan toepassingen, van eenvoudige circuits tot complexe digitale computerarchitecturen.

Figuur 8: CMOS Technology Diagram

Een samenvatting van CMOS -technologie

CMOS -technologie is een hoeksteen van het moderne digitale circuitontwerp, met behulp van zowel NMOS- als PMOS -transistors op een enkele chip.Deze benadering met dubbele transistor verbetert de efficiëntie door complementair schakelen en vermindert het stroomverbruik, wat gunstig is in de energiebewuste wereld van vandaag.

De sterkte van CMOS -circuits komt van hun lage vermogensvereisten en uitstekende geluidsimmuniteit.Deze eigenschappen zijn nuttig om een ​​betrouwbaar en complex digitaal geïntegreerd circuit te creëren.CMOS -technologie is effectief bestand tegen elektrische interferentie, waardoor de stabiliteit en de prestaties van elektronische systemen worden verbeterd.

CMOS's lage statische stroomverbruik en betrouwbare werking maken het de voorkeurskeuze voor veel toepassingen.Van consumentenelektronica tot high-end computersystemen, het aanpassingsvermogen en de efficiëntie van CMOS-technologie blijven innovatie in de elektronica-industrie stimuleren.Het wijdverbreide gebruik benadrukt het belang ervan bij het bevorderen van digitale technologie.

Conclusie

CMOS -technologie staat als een paragon van innovatie op het gebied van digitale circuitontwerp, waardoor de vooruitgang van elektronica voortdurend wordt gestimuleerd van basisgadgets tot complexe computersystemen.De dual-transistoropstelling van NMO's en PMO's op een enkele chip maakte een efficiënte schakelaar, minimale vermogensdissipatie en een hoge mate van ruisimmuniteit mogelijk, waardoor CMO's nuttig zijn bij het maken van dichte, geïntegreerde circuits.Het verminderen van het stroomverbruik zonder op te offeren, is in het tijdperk van draagbare apparaten op batterijen bewezen.De robuustheid van CMOS -technologie bij het omgaan met verschillende operationele en omgevingsomstandigheden heeft zijn toepassingen over talloze domeinen verbreed.Naarmate het blijft evolueren, kan CMOS -technologie helpen bij het vormgeven van het toekomstige landschap van elektronisch ontwerp.Het zorgt ervoor dat t voorop blijft in de technologische innovatie en blijft voldoen aan de toenemende eisen voor energie -efficiëntie en miniaturisatie in elektronische apparaten.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Hoe werkt CMO's in digitale elektronica?

Complementaire metaal-oxide-halfgeleider (CMOS) -technologie is fundamenteel in digitale elektronica, vooral omdat het de stroom van elektriciteit in apparaten efficiënt regelt.In de praktijk omvat een CMOS -circuit twee soorten transistoren: NMOS en PMOS.Deze zijn gerangschikt om ervoor te zorgen dat slechts één van de transistoren tegelijkertijd uitvoert, wat de door het circuit verbruikte energie drastisch vermindert.

Wanneer een CMOS -circuit in werking is, blokkeert de ene transistor stroom terwijl de andere het laat passeren.Als bijvoorbeeld een digitaal signaal van '1' (hoogspanning) wordt ingevoerd in een CMOS -omvormer, schakelt de NMOS -transistor in (geleidt) en wordt de PMO's uitgeschakeld (blokkeert stroom), wat resulteert in een lage spanning of '0'bij de uitvoer.Omgekeerd activeert een invoer van '0' de PMOS en deactiveert de NMO's, wat resulteert in een hoge uitgang.Dit schakelen zorgt ervoor dat minimale stroom wordt verspild, waardoor CMO's ideaal zijn voor apparaten zoals smartphones en computers waar batterijefficiëntie vereist is.

2. Wat is het verschil tussen MOSFET en CMOS?

MOSFET (metaal-oxide-halfgeleider veldeffect transistor) is een type transistor die wordt gebruikt voor het schakelen van elektronische signalen.CMO's daarentegen verwijst naar een technologie die twee complementaire soorten MOSFET's (NMO's en PMO's) gebruikt om digitale logische circuits te maken.

Het primaire onderscheid ligt in hun toepassing en efficiëntie.Een enkele MOSFET kan functioneren als een schakelaar of signalen versterken, waardoor een continue stroom van vermogen nodig is en mogelijk meer warmte genereert.CMO's, door zowel NMO's als PMOS -transistoren te integreren, wisselt zich af tussen het gebruik van het ene of de andere, het verminderen van het benodigde vermogen en de gegenereerde warmte.Dit maakt CMO's geschikter voor moderne elektronische apparaten die veel efficiëntie en compactheid vereisen.

3. Wat gebeurt er als u CMO's wist?

Het wissen van de CMO's op een computer reset de instellingen van de BIOS (Basic Input/Output System) naar hun fabrieksinstellingen.Dit wordt vaak gedaan om problemen met hardware of opstartproblemen op te lossen die kunnen ontstaan ​​door onjuiste of beschadigde BIOS -instellingen.

Om CMO's te wissen, kortsluit je met een specifiek paar pinnen op het moederbord met behulp van een jumper of verwijder je de CMOS -batterij een paar minuten.Deze actie spoelt het vluchtige geheugen door in het BIOS en wist eventuele configuraties zoals opstartorder, systeemtijd en hardware -instellingen.Na het wissen van de CMO's moet u mogelijk de BIOS -instellingen opnieuw configureren volgens uw computerbehoeften of hardwarecompatibiliteit.

4. Wat zal CMO's vervangen?

Hoewel de CMOS -technologie nog steeds heerst, is doorlopend onderzoek gericht op het ontwikkelen van alternatieven die mogelijk een grotere efficiëntie, snelheid en integratie kunnen bieden naarmate de technologie verder naar beneden schaalt.

Grafeentransistoren worden onderzocht voor hun uitzonderlijke elektrische eigenschappen, zoals hogere elektronenmobiliteit dan silicium, wat zou kunnen leiden tot hogere verwerkingssnelheden.

Gebruikt kwantumbits die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan, waardoor exponentiële snelheidsstijgingen voor specifieke berekeningen worden verhoogd.

Spintronics: gebruikt de spin van elektronen, in plaats van hun lading, om gegevens te coderen, mogelijk het stroomverbruik te verminderen en de mogelijkheden voor gegevensverwerking te vergroten.

Hoewel deze technologieën veelbelovend zijn, zal overgang van CMO's naar een nieuwe standaard in digitale elektronica technische uitdagingen en substantiële investeringen in nieuwe productietechnologieën moeten overwinnen.Vanaf nu blijft CMOS de meest praktische en veelgebruikte technologie in het ontwerp van het digitale circuit vanwege de betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit.