Sissejuhatus CMOS -tehnoloogiasse
2024-07-09 6597

Digitaalse elektroonika arengut on kujundanud täiendava metalli-oksiidi-semikad (CMOS) tehnoloogia arendamine.Tekkis vastusena kiirema töötlemiskiiruse ja tõhusama energiatarbimise vajadusele, CMOS -tehnoloogia on revolutsiooniliselt teinud vooluringide disaini koos oma uuendusliku lähenemisviisiga võimu ja signaali terviklikkuse haldamiseks.Erinevalt bipolaarse ristmike transistori (BJT) seadmetest, mis sõltuvad voolu voolust, kasutavad CMOS-seadmed pingega kontrollitud mehhanisme, mis vähendavad märkimisväärselt värava voolu, minimeerides sellega jõudude kadu.See tehnoloogia sai esmakordselt tarbeelektroonikas veojõu 1970. aastatel, näiteks elektroonilistes kellades, kuid 1980. aastatel tsementeeris 1980. aastatel väga suure ulatusega integratsiooni (VLSI) tulek CMO-de positsiooni tänapäevases elektroonikas nurgakivi.Ajastu oli tunnistajaks CMOS -tehnoloogiale, mis suurendas vooluahela usaldusväärsust, mürakindlust ja jõudlust erineva temperatuuri ja pinge jooksul, lihtsustades samal ajal üldist projekteerimisprotsessi.Need täiustused ei suurendanud mitte ainult transistori arvu tuhandetelt miljonitelt ühe kiibiga, vaid laiendasid ka CMO-de funktsionaalsust nii digitaalsetele kui ka segatud signaalidele VLSI disainilahendusteni, edestades vanemaid tehnoloogiaid, näiteks transistori-transistori loogika (TTL) oma parema kiiruse ja selle suurepärase kiiruse ja TTL-i tõttumadalamad pingetoimingud.

Kataloog

CMOS -tehnoloogia mõistmine

Digitaalse vooluringi kujundamise edendamisel on olnud tohutu osa metalli-oksiidi-semonduduktori (CMO) tehnoloogia väljatöötamisel.See tekkis peamiselt kiirema töötlemise vajaduse ja väiksema energiatarbimise tõttu.Erinevalt bipolaarse ristmike transistori (BJT) seadmetest, mis sõltuvad voolu voolust, kasutab CMOS pingega juhitavaid mehhanisme.Peamine erinevus aitab vähendada värava voolu, vähendades märkimisväärselt energiakaotust.1970ndatel kasutati CMO -sid peamiselt tarbeelektroonikas, näiteks elektroonilistes kellades.

Maastik muutus 1980. aastatel väga suure skaala integratsiooni (VLSI) tehnoloogia tulekuga, mis võttis mitmel põhjusel tugevalt kasutusele CMO-sid.CMOS kasutab vähem jõudu, pakub paremat müratakistust ning toimib hästi erinevatel temperatuuridel ja pingetel.See lihtsustab ka vooluringi kujundust, mis suurendab töökindlust ja paindlikkust.Need omadused võimaldasid CMOS-põhiste kiipide integreerimistihedust tohutu suureneda, liikudes tuhandetelt miljonitele transistoridele kiibi kohta.

Tänapäeval on CMO-d kasulikud nii digitaalsete kui ka sega allkirjaga VLSI disainilahenduste jaoks, edestades vanemaid tehnoloogiaid, näiteks transistori-transistori loogika (TTL), kuna see on parem kiirus ja tõhusus madalamatel pingetel.Selle laialt levinud kasutamine toob esile CMO-de transformatiivse mõju tänapäevasele elektroonikale, muutes selle tehnoloogia kõige jaoks, alates igapäevastest vidinatest kuni täiustatud arvutussüsteemideni.

Joonis 1: Kasutage elektriliste omaduste tasakaalustamiseks

CMO -de tööpõhimõte

Metallioksiidide-semonduduktori täiendava tehnoloogia (CMOS) tehnoloogia põhiprintsiip kasutab tõhusate loogikaahelate loomiseks paari N-tüüpi ja P-tüüpi transistoreid.Üks sisendsignaal kontrollib nende transistoride lülituskäitumist, lülitades ühe sisse, lülitades teise välja.See disain välistab vajaduse traditsiooniliste tõmbetakistide järele, mida kasutatakse teistes pooljuhtide tehnoloogiates, lihtsustades disaini ja parandades energiatõhusust.

CMOS-i seadistuses moodustavad N-tüüpi MOSFETS (metalli-oksiidi-semikad juhtide transistorid) rippvõrgu, mis ühendab loogikavärava väljundit madala pingega toitega, tavaliselt jahvatatud (VSS).See asendab vanemate NMOS -i loogikaahelate koormustakistid, mis olid vähem tõhusad pinge üleminekute haldamisel ja rohkem toitekaotusele.Vastupidiselt loovad P-tüüpi MOSFET-id tõmbevõrgu, mis ühendab väljundi suurema pingevarustusega (VDD).See kahevõrgustiku korraldus tagab, et väljundit kontrollitakse stabiilselt ja ennustatavalt iga sisendi jaoks.

Kui aktiveeritakse P-tüüpi MOSFET värav, lülitub see sisse, samal ajal kui vastav N-tüüpi MOSFET välja lülitub, ja vastupidi.See koosmõju mitte ainult ei lihtsusta vooluahela arhitektuuri, vaid suurendab ka seadme töökindlust ja funktsionaalsust.CMOS -tehnoloogia on kasulik kasutajatele, kes vajavad usaldusväärseid ja tõhusaid elektroonilisi süsteeme.

Joonis 2: CMOS -tehnoloogia sissejuhatus

Muundur

Inverter on digitaalse vooluringi disaini peamine element, eriti binaarsete aritmeetiliste ja loogiliste toimingute osas.Peamine funktsioon on sisendsignaali ümberpööramine binaarsel loogika tasemel.Lihtsamalt öeldes peetakse '0' madalat või null volti ja '1' on kõrge või V volti.Kui inverter saab 0 volti sisendi, väljastab see V volti ja kui V volti saab, väljastab see 0 volti.

Tõelaud demonstreerib tavaliselt muunduri funktsiooni, loetledes kõik võimalikud sisendid ja nende vastavad väljundid.See tabel näitab selgelt, et sisend '0' annab väljundi '1' ja sisend '1' annab väljundi '0'.See inversiooniprotsess on vajalik loogiliste otsuste ja andmetöötluse jaoks arvutus- ja digitaalsüsteemides.

Inverteri toiming on vajalik keerukamate digitaalsete interaktsioonide jaoks.See võimaldab kõrgema taseme arvutusülesannete sujuvat täita ja aitab andmete voogu tõhusalt hallata.

Tabel 1: muunduri tõelaud

CMOS -muundur

CMOS -muundur on elektroonika efektiivsuse mudel, millel on lihtne disain, mille NMOS -i ja PMOS -transistorid on ühendatud järjestikku.Nende väravad on sisendina omavahel seotud ja nende kanalisatsioon on ühendatud väljundi moodustamiseks.See paigutus vähendab võimsuse hajumist, optimeerides vooluringi energiatõhususe tagamiseks.

Kui sisendsignaal on kõrge (loogika '1'), lülitub NMOS -transistor sisse, viies voolu läbi ja tõmbab väljundi madalasse olekusse (loogika '0').Samal ajal on PMOS -transistor välja lülitatud, eraldades positiivse pakkumise väljundist.Ja vastupidiselt, kui sisend on madal (loogika '0'), lülitub NMOS -transistor välja ja PMOS -transistor lülitub sisse, viies väljundi kõrgesse olekusse (loogika '1').

See koordinatsioon NMOS ja PMOS -transistoride vahel võimaldab muunduril säilitada stabiilset väljundit vaatamata sisendpinge V ariat ioonidele.Veendudes, et üks transistor on alati välja lülitatud, samal ajal kui teine ​​on sisse lülitatud, säästab CMOS -i muundur energiat ja hoiab ära otsese elektritee toiteallikast maapinnale.See aitab vältida tarbetut energia äravoolu.See kahest siirgav seadistus määratleb CMOS-muunduri peamise rolli digitaalses vooluringis, pakkudes usaldusväärset loogika inversiooni minimaalse energiatarbimise ja kõrge signaali terviklikkusega.

Joonis 3: CMOS loogikaväravad

NMOS -muundur

NMOS -muundur on ehitatud sirgjoonelise ja tõhusa seadistuse abil.Selles konfiguratsioonis toimib värav sisendina, väljundina äravoolu funktsioneerib ning nii allika kui ka substraati on maandatud.Selle paigutuse tuum on täiustus-tüüpi N-kanaliga MOSFET.Õige erapoolikuse loomiseks rakendatakse äravoolule positiivset pinget.

Kui värava sisend on maandatud, mis tähistab loogikat '0', pole väravas pinget.See pinge puudumine takistab juhtiva kanali moodustumist MOSFET -is, muutes selle kõrge takistusega avatud vooluringi.Selle tulemusel voolab minimaalne vool kanalisatsioonist allikani, põhjustades väljundpinge tõusu +V lähedale, mis vastab loogikale 1.Kui väravale rakendatakse positiivset pinget, meelitab see elektronid väravaoksiidi liidesesse, moodustades N-tüüpi kanali.See kanal vähendab allika ja äravoolu vahelist takistust, võimaldades voolul voolata ja langetada väljundpinge peaaegu maapinnale või loogikale '0'.

See toiming näitab NMOS-i muundurit tõhusa tõmbeseadena, mis on kasulik binaarsete lülitusülesannete jaoks.Kasulik on tõdeda, et see seadistus kipub osariigis „on” rohkem jõudu tarbima.Suurenenud energiatarve tuleneb pidevast voolust, mis voolab toiteallikast maapinnale, kui transistor on aktiivne, tuues esile NMOS-i muunduri konstruktsiooni peamise operatsiooni kompromissi.

PMOS -muundur

Joonis 4: CMOS ICS -i põhitõed

PMOS -muundur on struktureeritud sarnaselt NMOS -muunduriga, kuid vastupidiste elektriliste ühendustega.Selles seadistuses kasutatakse PMOS -transistori positiivse pingega, mida rakendatakse nii substraadile kui ka allikale, samal ajal kui koormusetakisti on maapinnaga ühendatud.

Kui sisendpinge on kõrge +V juures (loogika '1'), muutub värava-lähtepinge null, lülitades transistori 'välja'.See loob allika ja äravoolu vahel kõrge takistustee, hoides väljundpinge loogika 0 korral madalal.

Kui sisend on 0 volti (loogika '0'), muutub väravast lähtepinge allika suhtes negatiivseks.See negatiivne pinge laadib väravakondensaatori, pöörates pooljuhtide pinna N-tüüpilt p-tüüpi ja moodustades juhtiva kanali.See kanal alandab drastiliselt allika ja äravoolu vahelist takistust, võimaldades voolul vabalt allikast kanalisatsiooni voolata.Selle tulemusel tõuseb väljundpinge toitepinge lähedale +V, mis vastab loogikale 1.

Sel viisil toimib PMOS-transistor tõmbeseadena, mis annab aktiveerimisel madala takistuse tee positiivsele toitepingele.See muudab PMOS -i muunduri peamiseks komponendiks stabiilse ja usaldusväärse loogika inversiooni loomisel.See tagab, et väljund on vajadusel tugevalt kõrge olekusse suunatud.

CMO -de ristlõige

Joonis 5: CMOS -värava ristlõige

CMOS -kiip ühendab NMOS ja PMOS -transistorid ühel räni substraadil, moodustades kompaktse ja tõhusa muunduri vooluringi.Selle seadistuse ristlõike vaatamine näitab nende transistoride strateegilist paigutamist, funktsionaalsuse optimeerimist ja elektriliste häirete vähendamist.

PMOS-transistor on põimitud N-tüüpi substraadisse, samas kui NMOS-transistor asetatakse eraldi p-tüüpi piirkonda, mida nimetatakse p-kaevuks.See korraldus tagab, et iga transistor töötab optimaalsetes tingimustes.P-Well toimib NMOS-transistori tööpinnana ja isoleerib NMOS- ja PMOS-transistoride elektrirajad, hoides ära häireid.See isolatsioon on abiks signaali terviklikkuse ja üldise CMOS -vooluringi jõudluse säilitamiseks.

See konfiguratsioon võimaldab kiibil kiiresti ja usaldusväärselt liikuda kõrge ja madala loogika oleku vahel.Integreerides mõlemat tüüpi transistoreid ühte seadmesse, tasakaalustab CMOS -i disain nende elektrilisi omadusi, mis viib stabiilsemate ja tõhusamate vooluringide toiminguteni.See integratsioon vähendab suurust ja parandab kaasaegsete elektrooniliste seadmete jõudlust, tutvustades CMOS -tehnoloogia täiustatud tehnikat.

CMOS -muunduri võimsus hajumine

CMOS -tehnoloogia peamine omadus on selle tõhusus energia hajumisel, eriti staatilistes või jõudeolekutes.Kui passiivne on CMOS -muundur, tõmbab väga vähe jõudu, kuna "OFF" transistor lekib ainult minimaalset voolu.See tõhusus on kasulik energiajäätmete säilitamiseks ja kaasaskantavate seadmete aku kestvuse pikendamiseks.

Joonis 6: CMOS-andurid- tööstuslike kaamerate jaoks

Dünaamilise töö ajal, kui muundur vahetab, suureneb energia hajumine ajutiselt.See teravik ilmneb seetõttu, et nii NMO-de kui ka PMOS-transistorid on osaliselt sisse lülitatud, luues lühiajalise otsese tee vooluvoolu jaoks toitepingest maapinnale.Vaatamata sellele mööduvale suurenemisele on CMOS-muunduri üldine keskmine energiatarve palju madalam kui vanematel tehnoloogiatel nagu transistori-transistori loogika (TTL).

See püsiv vähese võimsusega kasutamine erinevatel operatiivrežiimidel suurendab CMOS -ahelate energiatõhusust.Muutes selle ideaalseks rakenduste jaoks, kus energia kättesaadavus on piiratud, näiteks mobiilseadmed ja muud akutoitega tehnoloogiad.

CMOS-muundurite madal püsiseisundi tõke tekitab vähem soojust, mis vähendab seadme komponentide termilist pinget.See vähendatud soojuse genereerimine võib pikendada elektrooniliste seadmete eluiga, muutes CMOS-tehnoloogia võtmeteguriks jätkusuutlikumate ja kulutõhusate elektrooniliste süsteemide kavandamisel.

CMOS -muunduri alalispinge ülekanded

Joonis 7: vooluahelate optimeerimine võimsuse ja kiiruse efektiivsuse saavutamiseks

CMOS -muunduri alalispinge ülekande karakteristik (VTC) on peamine vahend selle käitumise mõistmiseks.See näitab seos sisend- ja väljundpingete vahel staatilistes (vahetatavates) tingimustes, pakkudes selge ülevaate muunduri jõudlusest erinevatel sisendtasemetel.

Hästi kavandatud CMOS-muunduris, kus NMO-d ja PMOS-transistorid on tasakaalus, on VTC peaaegu ideaalne.See on sümmeetriline ja sellel on terav üleminek kõrge ja madala väljundpinge vahel konkreetse sisendpinge läve korral.See lävi on punkt, kus muundur lülitub ühelt loogika olekult teise, muutudes kiiresti loogikast '1' '0' ja vastupidi.

VTC täpsus on abiks digitaalsete vooluringide tööpingevahemike määramisel.See määratleb täpsed punktid, kus väljund muudab olekuid, tagades loogikasignaalide selged ja järjepidevad ning vähendades pingest V ariat ioonidest tingitud vigade riski.

CMOS -tehnoloogia eelised

CMOS -tehnoloogia pakub madalat staatilist energiatarbimist.Muutes selle kasulikumaks elektrooniliste rakenduste jaoks, eriti akutoitega seadmetes, kuna see kasutab energiat ainult loogikaseisundite ajal.

CMOS-ahelate disain lihtsustab olemuselt keerukust, võimaldades ühe kiibiga loogikafunktsioonide kompaktset, suure tihedusega paigutust.See funktsioon on vajalik mikroprotsessorite ja mälukiipide täiustamiseks, parandades töövõimalusi, laiendades räni füüsilist suurust.See tiheduse eelis võimaldab rohkem töötlemisvõimsust ühiku kohta, hõlbustades tehnoloogia miniaturiseerimise ja süsteemi integreerimise edusamme.

CMOS-tehnoloogia kõrge müra immuunsus vähendab häireid, tagades CMOS-põhiste süsteemide stabiilse ja usaldusväärse toimimise elektroonilises müraohtlikus keskkonnas.Madala energiatarve, vähenenud keerukuse ja tugeva müra immuunsuse kombinatsioon tugevdab CMO -sid elektroonika põhitehnoloogiana.See toetab mitmesuguseid rakendusi, alates lihtsatest vooluahelatest kuni keerukate digitaalsete arvutustehingute arhitektuurideni.

Joonis 8: CMOS -tehnoloogiaskeem

Kokkuvõte CMOS -tehnoloogiast

CMOS -tehnoloogia on moodsa digitaalse vooluringi kujunduse nurgakivi, kasutades ühe kiibiga nii NMOS kui ka PMOS -transistoreid.See kahest siirgaline lähenemisviis suurendab efektiivsust täiendava vahetamise kaudu ja vähendab energiatarbimist, mis on kasulik tänapäeva energiateadlikus maailmas.

CMOS -ahelate tugevus tuleneb nende vähese energiatarbega nõuetest ja suurepärasest müra immuunsusest.Need tunnused on kasulikud usaldusväärse ja keeruka digitaalse integreeritud vooluringi loomiseks.CMOS -tehnoloogia on tõhusalt elektriliste häirete vastu, parandades elektrooniliste süsteemide stabiilsust ja jõudlust.

CMO -de madal staatiline energiatarve ja usaldusväärne töö muudavad selle paljude rakenduste jaoks eelistatud valikuks.Alates tarbeelektroonikast kuni tipptasemel arvutisüsteemideni jätkavad CMOS-tehnoloogia kohanemisvõimet ja tõhusust elektroonikatööstuses innovatsiooni.Selle laialt levinud kasutamine rõhutab selle olulisust digitaaltehnoloogia edendamisel.

Järeldus

CMOS -tehnoloogia on innovatsiooni paragon digitaalse vooluringi disaini valdkonnas, juhtides pidevalt elektroonika edenemist põhilistest vidinatest keerukatesse arvutussüsteemidesse.NMO-de ja PMO-de kahest transistori seadistus ühel kiibil võimaldas tõhusat lülitumist, minimaalset võimsuse hajumist ja müra immuunsuse suurt astet, muutes CMO-de kasulikuks tihedate, integreeritud vooluahelate loomisel.Elektrienergia vähendamine ilma jõudlust ohverdamata on osutunud kaasaskantavate, akutoitega seadmete ajastul.CMOS -tehnoloogia vastupidavus mitmesuguste operatiiv- ja keskkonnatingimuste käsitlemisel on laiendanud selle rakendusi paljudes valdkondades.Kuna see areneb, võib CMOS -tehnoloogia aidata kujundada elektroonilise disaini tulevast maastikku.See tagab, et T on püsimine tehnoloogilise uuenduse esirinnas ja vastab jätkuvalt elektroonikaseadmetes kasvavate energiatõhususe ja miniaturiseerimise nõudmistele.

Korduma kippuvad küsimused [KKK]

1. Kuidas töötavad CMO -d digitaalses elektroonikas?

Täiendav metalli-oksiidi-semikad (CMOS) tehnoloogia on digitaalse elektroonika alustala, peamiselt seetõttu, et see kontrollib tõhusalt elektrienergia voogu seadmetes.Praktikas sisaldab CMOS -vooluring kahte tüüpi transistoreid: NMOS ja PMOS.Need on korraldatud tagamaks, et ainult üks transistorist juhib korraga, mis vähendab drastiliselt vooluringi tarbitavat energiat.

Kui CMOS -vooluring töötab, blokeerib üks transistor voolu, teine ​​aga laseb sellel mööduda.Näiteks kui digitaalne signaal '1' (kõrge pinge) sisestatakse CMOS -muundurisse, lülitub NMOS -transistor sisse (juhib) ja PMOS lülitub välja (blokeerib voolu), mille tulemuseks on madalpinge või '0'väljundis.Seevastu sisend '0' aktiveerib PMOS -i ja desaktiveerib NMOS -i, mille tulemuseks on suur väljund.See lülitus tagab minimaalse energia raiskamise, muutes CMOS -i ideaalseks selliste seadmete jaoks nagu nutitelefonid ja arvutid, kus on vaja aku efektiivsust.

2. Mis vahe on MOSFET ja CMO -de vahel?

MOSFET (metalli-oksiid-semikad, väljatransistor) on transistori tüüp, mida kasutatakse elektrooniliste signaalide vahetamiseks.CMO -d seevastu viitab tehnoloogiale, mis kasutab digitaalse loogikaahela loomiseks kahte täiendavat tüüpi MOSFET -i (NMOS ja PMOS).

Esmane eristamine seisneb nende rakenduses ja tõhususes.Üksik MOSFET võib toimida lüliti või võimendada signaale, nõudes pidevat võimsuse voogu ja tekitades potentsiaalselt rohkem soojust.CMO -d, integreerides nii NMOS kui ka PMOS -transistorid, vaheldub ühe või teise kasutamise vahel, vähendades vajalikku energiat ja tekkivat soojust.See muudab CMO -d sobivamaks tänapäevaste elektroonikaseadmete jaoks, mis vajavad suurt tõhusust ja kompaktsust.

3. Mis juhtub, kui puhastate CMO -sid?

CMO -de puhastamine arvutis lähtestab BIOS (põhisisendi/väljundsüsteemi) sätted tehase vaikeseadetele.Seda tehakse sageli riistvara või alglaadimisprobleemide tõrkeotsinguks, mis võivad tekkida valede või rikutud BIOS -i sätete tõttu.

CMO -de tühjendamiseks lühistage tavaliselt emaplaadil konkreetset tihvtide paari, kasutades hüppajat või eemaldate CMOS -i aku mõneks minutiks.See toiming loputab BIOS -i lenduvat mälu, kustutades kõik konfiguratsioonid nagu alglaadimisjärjestus, süsteemi aeg ja riistvara sätted.Pärast CMO -de puhastamist peate võib -olla ümber konfigureerima BIOS -i sätted vastavalt oma arvutusvajadustele või riistvara ühilduvusele.

4. Mis asendab CMO -sid?

Ehkki CMOS -tehnoloogia on endiselt levinud, on jätkuva uurimistöö eesmärk välja töötada alternatiivid, mis võivad potentsiaalselt pakkuda suuremat tõhusust, kiirust ja integreerimist, kuna tehnoloogia ulatub veelgi.

Grafeeni transistoreid uuritakse nende erakordsete elektriliste omaduste, näiteks kõrgema elektronide liikuvuse osas kui räni, mis võib põhjustada kiiremat töötlemiskiirust.

Kasutab kvantbitte, mis võivad mitmes olekus samaaegselt eksisteerida, pakkudes konkreetsete arvutuste jaoks eksponentsiaalse kiiruse suurenemist.

Spintronics: kasutab andmete kodeerimiseks, mitte nende laadimise, mitte nende laadimise, vähendades energiatarbimist ja suurendades andmetöötlusvõimalusi.

Kuigi need tehnoloogiad on paljulubavad, nõuab CMO -delt digitaalse elektroonika uuele standardile üleminek tehniliste väljakutsete ja oluliste investeeringute ületamist uutesse tootmistehnoloogiatesse.Praeguse seisuga on CMO-sid digitaalse vooluringi kujundamisel kõige praktilisem ja laialdasemalt kasutatav tehnoloogia oma töökindluse ja kulutõhususe tõttu.