Pengenalan kepada Teknologi CMOS
2024-07-09 6593

Evolusi elektronik digital telah dibentuk oleh perkembangan teknologi logam-oksida-semikonduktor (CMOS) pelengkap.Muncul sebagai tindak balas kepada keperluan untuk kelajuan pemprosesan yang lebih cepat dan penggunaan kuasa yang lebih cekap, teknologi CMOS telah merevolusikan reka bentuk litar dengan pendekatan inovatifnya untuk menguruskan integriti kuasa dan isyarat.Tidak seperti peranti transistor persimpangan bipolar (BJT), yang bergantung kepada aliran semasa, peranti CMOS menggunakan mekanisme kawalan voltan yang secara signifikan mengurangkan arus pintu, dengan itu meminimumkan kehilangan kuasa.Teknologi ini pertama kali mendapat daya tarikan dalam elektronik pengguna pada tahun 1970-an, seperti dalam jam tangan elektronik, tetapi ia adalah kemunculan integrasi skala yang sangat besar (VLSI) pada tahun 1980-an yang benar-benar menyusun kedudukan CMOS sebagai asas dalam elektronik moden.ERA menyaksikan teknologi CMOS meningkatkan kebolehpercayaan litar, rintangan bunyi, dan prestasi merentasi suhu dan voltan yang berbeza -beza sambil memudahkan proses reka bentuk keseluruhan.Peningkatan ini bukan sahaja meningkatkan kiraan transistor dari ribuan hingga berjuta-juta pada cip tunggal tetapi juga memperluaskan fungsi CMOS ke reka bentuk VLSI digital dan campuran isyarat, mengatasi teknologi yang lebih tua seperti logik transistor transistor (TTL) kerana kelajuan unggulnya danOperasi voltan yang lebih rendah.

Katalog

Pemahaman teknologi CMOS

Perkembangan teknologi logam-oksida semikonduktor (CMOS) pelengkap telah menjadi sebahagian besar dalam memajukan reka bentuk litar digital.Ia muncul terutamanya kerana keperluan untuk pemprosesan yang lebih cepat dan penggunaan tenaga yang lebih rendah.Tidak seperti peranti transistor persimpangan bipolar (BJT), yang bergantung kepada aliran semasa, CMOS menggunakan mekanisme kawalan voltan.Perbezaan utama membantu mengurangkan arus di pintu gerbang, mengurangkan kehilangan kuasa dengan ketara.Pada tahun 1970 -an, CMOS digunakan terutamanya dalam elektronik pengguna, seperti jam tangan elektronik.

Landskap berubah pada tahun 1980-an dengan kemunculan teknologi integrasi berskala besar (VLSI), yang banyak mengadopsi CMOS untuk beberapa sebab.CMOS menggunakan kuasa kurang, menawarkan rintangan bunyi yang lebih baik, dan berfungsi dengan baik merentasi pelbagai suhu dan voltan.Ia juga memudahkan reka bentuk litar yang meningkatkan kebolehpercayaan dan fleksibiliti.Ciri-ciri ini membolehkan peningkatan yang besar dalam ketumpatan integrasi cip berasaskan CMOS, bergerak dari ribuan hingga berjuta-juta transistor per cip.

Hari ini, CMOS berguna untuk reka bentuk VLSI digital dan campuran isyarat, mengatasi teknologi yang lebih lama seperti logik transistor-transistor (TTL) kerana kelajuan dan kecekapannya yang lebih tinggi pada voltan yang lebih rendah.Penggunaannya yang meluas menyoroti kesan transformatif CMOS terhadap elektronik moden, menjadikannya teknologi untuk segala-galanya dari alat sehari-hari ke sistem pengiraan maju.

Rajah 1: Gunakan untuk menyeimbangkan ciri elektrik

Prinsip kerja CMOS

Prinsip teras teknologi logam-oksida-semikonduktor (CMOS) pelengkap menggunakan sepasang transistor N-jenis dan p-jenis untuk mewujudkan litar logik yang cekap.Isyarat input tunggal mengawal tingkah laku beralih transistor ini, menghidupkannya sambil mematikan yang lain.Reka bentuk ini menghapuskan keperluan untuk perintang pull-up tradisional yang digunakan dalam teknologi semikonduktor lain, memudahkan reka bentuk dan meningkatkan kecekapan tenaga.

Dalam persediaan CMOS, N-jenis MOSFET (transistor kesan medan logam-oksida-semikonduktor) membentuk rangkaian tarik-turun yang menghubungkan output pintu logik ke bekalan voltan rendah, biasanya tanah (VSS).Ini menggantikan perintang beban dalam litar logik NMOS yang lebih tua, yang kurang berkesan dalam menguruskan peralihan voltan dan lebih mudah untuk kehilangan kuasa.Sebaliknya, P-jenis MOSFET mewujudkan rangkaian pull-up yang menghubungkan output ke bekalan voltan yang lebih tinggi (VDD).Susunan dua rangkaian ini memastikan bahawa output dikawal dengan stabil dan diramalkan untuk sebarang input yang diberikan.

Apabila pintu gerbang p-jenis MOSFET diaktifkan, ia beralih semasa MOSFET N-jenis yang sama dimatikan, dan sebaliknya.Interaksi ini bukan sahaja memudahkan seni bina litar tetapi juga meningkatkan kebolehpercayaan operasi dan fungsi peranti.Teknologi CMOS memberi manfaat kepada pengguna yang memerlukan sistem elektronik yang boleh dipercayai dan cekap.

Rajah 2: Pengenalan kepada CMOS Tech

Penyongsang

Inverter adalah elemen utama dalam reka bentuk litar digital, terutamanya untuk operasi aritmetik dan logik binari.Fungsi utama adalah untuk membalikkan isyarat input dalam tahap logik binari.Secara ringkas, '0' dianggap rendah atau sifar volt, dan '1' adalah tinggi atau v volt.Apabila penyongsang menerima input 0 volt, ia mengeluarkan v volt, dan apabila ia menerima v volt, ia mengeluarkan 0 volt.

Jadual kebenaran biasanya menunjukkan fungsi penyongsang dengan menyenaraikan semua input yang mungkin dan output yang sepadan.Jadual ini jelas menunjukkan bahawa input '0' menghasilkan output '1', dan input '1' menghasilkan output '0'.Proses penyongsangan ini diperlukan untuk keputusan logik dan pemprosesan data dalam pengkomputeran dan sistem digital.

Operasi penyongsang diperlukan untuk interaksi digital yang lebih kompleks.Ia membolehkan pelaksanaan lancar tugas pengiraan peringkat tinggi dan membantu menguruskan aliran data dalam litar dengan berkesan.

Jadual 1: Jadual kebenaran penyongsang

Inverter CMOS

Inverter CMOS adalah model kecekapan dalam elektronik, yang menampilkan reka bentuk mudah dengan transistor NMOS dan PMOS yang disambungkan secara siri.Pintu mereka terikat bersama sebagai input, dan longkang mereka disambungkan untuk membentuk output.Susunan ini mengurangkan pelesapan kuasa, mengoptimumkan litar untuk kecekapan tenaga.

Apabila isyarat input tinggi (logik '1'), transistor NMOS menghidupkan, menjalankan arus dan menarik output ke keadaan rendah (logik '0').Pada masa yang sama, transistor PMOS dimatikan, mengasingkan bekalan positif dari output.Sebaliknya, apabila input rendah (logik '0'), transistor NMOS dimatikan, dan transistor PMOS menghidupkan, memandu output ke keadaan yang tinggi (logik '1').

Penyelarasan antara transistor NMOS dan PMOS membolehkan penyongsang untuk mengekalkan output yang stabil walaupun voltan input v ariat ion.Dengan memastikan bahawa satu transistor sentiasa mati manakala yang lain berada, penyongsang CMOS memelihara kuasa dan menghalang laluan elektrik langsung dari bekalan kuasa ke tanah.Ia akan membantu mengelakkan longkang kuasa yang tidak perlu.Persediaan dwi-transistor ini mentakrifkan peranan utama CMOS inverter dalam litar digital, memberikan penyongsangan logik yang boleh dipercayai dengan penggunaan tenaga yang minimum dan integriti isyarat tinggi.

Rajah 3: Gerbang logik CMOS

Penyongsang NMOS

Inverter NMOS dibina menggunakan persediaan yang mudah dan cekap.Dalam konfigurasi ini, pintu gerbang berfungsi sebagai input, fungsi longkang sebagai output, dan kedua -dua sumber dan substrat didasarkan.Inti dari susunan ini adalah MOSFET N-Channel jenis peningkatan.Voltan positif digunakan untuk longkang melalui perintang beban untuk menubuhkan biasing yang betul.

Apabila input pintu didasarkan, mewakili logik '0', tiada voltan hadir di pintu gerbang.Kekurangan voltan ini menghalang saluran konduktif daripada membentuk di MOSFET, menjadikannya litar terbuka dengan rintangan yang tinggi.Akibatnya, arus minimum mengalir dari longkang ke sumber, menyebabkan voltan output meningkat dekat dengan +V, yang sepadan dengan logik '1'.Apabila voltan positif digunakan pada pintu gerbang, ia menarik elektron ke antara muka oksida pintu, membentuk saluran N-jenis.Saluran ini mengurangkan rintangan antara sumber dan longkang, yang membolehkan arus mengalir dan menjatuhkan voltan output ke paras hampir tanah, atau logik '0'.

Operasi ini menunjukkan penyongsang NMOS sebagai peranti pull-down yang berkesan, berguna untuk tugas penukaran binari.Adalah berguna untuk menyedari bahawa persediaan ini cenderung untuk mengambil lebih banyak kuasa apabila berada di negeri 'pada'.Penggunaan kuasa yang meningkat timbul dari arus berterusan yang mengalir dari bekalan kuasa ke tanah apabila transistor aktif, menonjolkan perdagangan utama operasi dalam reka bentuk penyongsang NMOS.

PMOS Inverter

Rajah 4: Asas CMOS ICS

Inverter PMOS berstruktur sama dengan penyongsang NMOS tetapi dengan sambungan elektrik terbalik.Dalam persediaan ini, transistor PMOS digunakan dengan voltan positif yang digunakan untuk kedua -dua substrat dan sumber, manakala perintang beban disambungkan ke tanah.

Apabila voltan input tinggi pada +V (logik '1'), voltan pintu ke sumber menjadi sifar, mengubah transistor 'off'.Ini mewujudkan laluan rintangan yang tinggi di antara sumber dan longkang, mengekalkan voltan output rendah pada logik '0'.

Apabila input berada pada 0 volt (logik '0'), voltan pintu ke sumber menjadi relatif negatif terhadap sumber.Voltan negatif ini mengenakan kapasitor pintu, membalikkan permukaan semikonduktor dari N-jenis ke p-jenis, dan membentuk saluran konduktif.Saluran ini secara drastik menurunkan rintangan antara sumber dan longkang, yang membolehkan arus mengalir secara bebas dari sumber ke longkang.Akibatnya, voltan output meningkat dekat dengan voltan bekalan +V, sepadan dengan logik '1'.

Dengan cara ini, transistor PMOS bertindak sebagai peranti pull-up, yang memberikan laluan rintangan yang rendah ke voltan bekalan positif apabila diaktifkan.Ini menjadikan Inverter PMOS merupakan komponen utama dalam mewujudkan penyongsangan logik yang stabil dan boleh dipercayai.Ia memastikan bahawa output sangat didorong ke keadaan yang tinggi apabila diperlukan.

Bahagian silang CMOS

Rajah 5: Bahagian silang pintu CMOS

Cip CMOS menggabungkan transistor NMOS dan PMOS pada substrat silikon tunggal, membentuk litar penyongsang yang padat dan cekap.Melihat keratan rentas persediaan ini menunjukkan penempatan strategik transistor ini, mengoptimumkan fungsi dan mengurangkan gangguan elektrik.

Transistor PMOS tertanam dalam substrat N-jenis, manakala transistor NMOS diletakkan di kawasan P-jenis yang berasingan yang dipanggil P-Well.Pengaturan ini memastikan setiap transistor beroperasi di bawah keadaan yang optimum.P-Well bertindak sebagai tanah operasi untuk transistor NMOS dan mengasingkan laluan elektrik NMOS dan transistor PMOS, mencegah gangguan.Pengasingan ini berguna untuk mengekalkan integriti isyarat dan prestasi litar CMOS keseluruhan.

Konfigurasi ini membolehkan cip beralih antara keadaan logik yang tinggi dan rendah dengan cepat dan boleh dipercayai.Dengan mengintegrasikan kedua -dua jenis transistor dalam satu unit, reka bentuk CMOS mengimbangi ciri -ciri elektrik mereka, yang membawa kepada operasi litar yang lebih stabil dan cekap.Integrasi ini mengurangkan saiz dan meningkatkan prestasi peranti elektronik moden, mempamerkan kejuruteraan maju di belakang teknologi CMOS.

Pelepasan kuasa penyongsang CMOS

Ciri utama teknologi CMOS adalah kecekapan dalam pelesapan kuasa, terutamanya dalam keadaan statik atau terbiar.Apabila tidak aktif, penyongsang CMOS menarik sedikit kuasa sejak transistor "off" kebocoran hanya arus minimum.Keberkesanan ini berguna untuk mengekalkan sisa tenaga dan memperluaskan hayat bateri peranti mudah alih.

Rajah 6: Sensor CMOS- untuk kamera perindustrian

Semasa operasi dinamik, apabila penukaran penyongsang menyatakan, pelesapan kuasa sementara meningkat.Spike ini berlaku kerana, untuk seketika, kedua-dua transistor NMOS dan PMOS sebahagiannya, mewujudkan laluan langsung jangka pendek untuk aliran semasa dari voltan bekalan ke tanah.Walaupun peningkatan sementara ini, penggunaan kuasa purata keseluruhan penyongsang CMOS masih jauh lebih rendah daripada teknologi yang lebih lama seperti logik transistor-transistor (TTL).

Penggunaan kuasa rendah yang berterusan dalam mod operasi yang berbeza meningkatkan kecekapan tenaga litar CMOS.Menjadikannya sesuai untuk aplikasi di mana ketersediaan kuasa terhad, seperti peranti mudah alih dan teknologi berkuasa bateri yang lain.

Cabutan kuasa CMOS yang stabil rendah menghasilkan kurang haba yang mengurangkan tekanan haba pada komponen peranti.Penjanaan haba yang dikurangkan ini dapat memanjangkan jangka hayat peranti elektronik, menjadikan teknologi CMOS sebagai faktor utama dalam merekabentuk sistem elektronik yang lebih mampan dan kos efektif.

Ciri pemindahan voltan dc penyongsang CMOS

Rajah 7: Mengoptimumkan litar untuk kecekapan kuasa dan kelajuan

Ciri -ciri pemindahan voltan DC (VTC) penyongsang CMOS adalah alat utama untuk memahami tingkah lakunya.Ia menunjukkan hubungan antara voltan input dan output dalam keadaan statik (tidak beralih), memberikan pandangan yang jelas tentang prestasi penyongsang di pelbagai tahap input.

Dalam penyongsang CMOS yang direka dengan baik, di mana transistor NMOS dan PMOS seimbang, VTC hampir ideal.Ia adalah simetri dan mempunyai peralihan tajam antara voltan output tinggi dan rendah pada ambang voltan input tertentu.Ambang ini adalah titik di mana penyongsang beralih dari satu keadaan logik ke yang lain, dengan cepat berubah dari logik '1' hingga '0' dan sebaliknya.

Ketepatan VTC berguna untuk menentukan julat voltan operasi litar digital.Ia mengenal pasti titik -titik yang tepat di mana output akan mengubah keadaan, memastikan bahawa isyarat logik adalah jelas dan konsisten, dan mengurangkan risiko kesilapan disebabkan oleh voltan v ariat ion.

Kelebihan Teknologi CMOS

Teknologi CMOS menawarkan penggunaan kuasa statik yang rendah.Menjadikannya lebih berguna untuk aplikasi elektronik, terutamanya dalam peranti berkuasa bateri, kerana ia menggunakan tenaga hanya semasa urus niaga logik.

Reka bentuk litar CMOS sememangnya memudahkan kerumitan, yang membolehkan susunan logik yang padat, berkepadatan tinggi pada cip tunggal.Ciri ini diperlukan untuk meningkatkan mikropemproses dan cip memori, meningkatkan keupayaan operasi tanpa mengembangkan saiz fizikal silikon.Kelebihan ketumpatan ini membolehkan lebih banyak kuasa pemprosesan per unit kawasan, memudahkan kemajuan dalam pengurangan teknologi dan integrasi sistem.

Kekebalan bunyi tinggi teknologi CMOS mengurangkan gangguan, memastikan operasi sistem berasaskan CMOS yang stabil dan boleh dipercayai dalam persekitaran yang rawan bunyi elektronik.Gabungan penggunaan kuasa yang rendah, mengurangkan kerumitan, dan kekebalan bunyi yang mantap menguatkan CMOS sebagai teknologi asas dalam elektronik.Ia menyokong pelbagai aplikasi, dari litar mudah ke arkitek pengkomputeran digital yang kompleks.

Rajah 8: Rajah Teknologi CMOS

Rekap teknologi CMOS

Teknologi CMOS adalah asas reka bentuk litar digital moden, menggunakan kedua -dua transistor NMOS dan PMOS pada cip tunggal.Pendekatan dwi-transistor ini meningkatkan kecekapan melalui penukaran pelengkap dan mengurangkan penggunaan kuasa, yang bermanfaat dalam dunia yang sedar tenaga hari ini.

Kekuatan litar CMOS berasal dari keperluan kuasa rendah dan imuniti bunyi yang sangat baik.Ciri -ciri ini berguna untuk mewujudkan litar bersepadu digital yang boleh dipercayai dan kompleks.Teknologi CMOS berkesan menentang gangguan elektrik, meningkatkan kestabilan dan prestasi sistem elektronik.

Penggunaan kuasa statik rendah CMOS dan operasi yang boleh dipercayai menjadikannya pilihan pilihan untuk banyak aplikasi.Dari elektronik pengguna ke sistem pengkomputeran mewah, kebolehsuaian dan kecekapan teknologi CMOS terus memacu inovasi dalam industri elektronik.Penggunaannya yang meluas menonjolkan kepentingannya dalam memajukan teknologi digital.

Kesimpulan

Teknologi CMOS berdiri sebagai paragon inovasi dalam bidang reka bentuk litar digital, terus memacu kemajuan elektronik dari alat asas ke sistem pengiraan yang kompleks.Persediaan dwi-transistor NMOS dan PMOS pada cip tunggal yang dibenarkan untuk beralih yang cekap, pelesapan kuasa minimum, dan tahap kekebalan bunyi yang tinggi, menjadikan CMOs berguna dalam penciptaan litar bersepadu yang padat.Mengurangkan penggunaan kuasa tanpa mengorbankan prestasi telah terbukti dalam era peranti mudah alih, berkuasa bateri.Keteguhan teknologi CMOS dalam mengendalikan pelbagai keadaan operasi dan persekitaran telah memperluaskan aplikasinya di banyak domain.Memandangkan ia terus berkembang, teknologi CMOS dapat membantu membentuk landskap masa depan reka bentuk elektronik.Ia memastikan T tetap berada di barisan hadapan inovasi teknologi dan terus memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk kecekapan tenaga dan pengurangan dalam peranti elektronik.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Bagaimanakah CMOS berfungsi dalam elektronik digital?

Teknologi logam-oksida semikonduktor (CMOS) pelengkap adalah asas dalam elektronik digital, terutamanya kerana ia secara efisien mengawal aliran elektrik dalam peranti.Dalam amalan, litar CMOS termasuk dua jenis transistor: NMOS dan PMOS.Ini disusun untuk memastikan bahawa hanya satu daripada transistor yang dijalankan pada satu masa, yang secara drastik mengurangkan tenaga yang digunakan oleh litar.

Apabila litar CMOS sedang beroperasi, satu transistor blok semasa manakala yang lain membiarkannya lulus.Sebagai contoh, jika isyarat digital '1' (voltan tinggi) dimasukkan ke dalam penyongsang CMOS, transistor NMOS menghidupkan (menjalankan), dan PMOS dimatikan (blok arus), mengakibatkan voltan rendah atau '0'pada output.Sebaliknya, input '0' mengaktifkan PMOS dan menyahaktifkan NMOS, menghasilkan output yang tinggi.Penukaran ini memastikan kuasa minimum sia -sia, menjadikan CMOS sesuai untuk peranti seperti telefon pintar dan komputer di mana kecekapan bateri diperlukan.

2. Apakah perbezaan antara MOSFET dan CMOS?

MOSFET (transistor kesan medan logam-oksida-semikonduktor) adalah sejenis transistor yang digunakan untuk menukar isyarat elektronik.CMO, sebaliknya, merujuk kepada teknologi yang menggunakan dua jenis pelengkap MOSFET (NMO dan PMOS) untuk membuat litar logik digital.

Perbezaan utama terletak pada aplikasi dan kecekapan mereka.Satu MOSFET boleh berfungsi sebagai suis atau menguatkan isyarat, yang memerlukan aliran kuasa yang berterusan dan berpotensi menjana lebih banyak haba.CMOS, dengan mengintegrasikan kedua -dua transistor NMOS dan PMOS, bergantian antara menggunakan satu atau yang lain, mengurangkan kuasa yang diperlukan dan haba dihasilkan.Ini menjadikan CMOS lebih sesuai untuk peranti elektronik moden yang memerlukan kecekapan dan kompak yang tinggi.

3. Apa yang berlaku jika anda membersihkan CMOS?

Mengosongkan CMOS pada komputer menetapkan semula tetapan BIOS (Sistem Input/Output Asas) ke lalai kilang mereka.Ini sering dilakukan untuk menyelesaikan masalah perkakasan atau masalah boot yang mungkin timbul kerana tetapan BIOS yang salah atau rosak.

Untuk membersihkan CMOS, anda biasanya pendek sepasang pin tertentu pada papan induk menggunakan pelompat, atau mengeluarkan bateri CMOS selama beberapa minit.Tindakan ini memancarkan memori yang tidak menentu dalam BIOS, memadamkan sebarang konfigurasi seperti susunan boot, masa sistem, dan tetapan perkakasan.Selepas membersihkan CMOS, anda mungkin perlu menyusun semula tetapan BIOS mengikut keperluan pengkomputeran atau keserasian perkakasan anda.

4. Apa yang akan menggantikan CMOS?

Walaupun teknologi CMOS masih berleluasa, penyelidikan berterusan bertujuan untuk membangunkan alternatif yang berpotensi menawarkan kecekapan, kelajuan, dan integrasi yang lebih besar sebagai skala teknologi lebih jauh.

Transistor graphene sedang diterokai untuk sifat elektrik yang luar biasa, seperti mobiliti elektron yang lebih tinggi daripada silikon, yang boleh membawa kepada kelajuan pemprosesan yang lebih cepat.

Menggunakan bit kuantum yang boleh wujud di pelbagai negeri secara serentak, menawarkan peningkatan kelajuan eksponen untuk pengiraan tertentu.

Spintronics: Menggunakan spin elektron, bukannya caj mereka, untuk mengekodkan data, berpotensi mengurangkan penggunaan kuasa dan meningkatkan keupayaan pemprosesan data.

Walaupun teknologi ini menjanjikan, peralihan dari CMOS ke standard baru dalam elektronik digital akan memerlukan mengatasi cabaran teknikal dan pelaburan besar dalam teknologi pembuatan baru.Setakat ini, CMOS kekal sebagai teknologi yang paling praktikal dan digunakan secara meluas dalam reka bentuk litar digital kerana kebolehpercayaan dan keberkesanan kosnya.