Uvod v tehnologijo CMOS
2024-07-09 6587

Razvoj digitalne elektronike je oblikoval z razvojem komplementarne tehnologije kovinsko-oksida-polprevodnika (CMOS).Tehnologija CMOS je kot odziv na potrebo po hitrejši hitrosti obdelave in učinkovitejše porabe energije spremenila oblikovanje vezja s svojim inovativnim pristopom k upravljanju moči in celovitosti signala.Za razliko od naprav za bipolarno stičišče (BJT), ki so odvisne od toka, CMOS naprave uporabljajo mehanizme, ki jih nadzorujejo napetosti, ki znatno zmanjšajo tok vrat in s tem zmanjšajo izgubo energije.Ta tehnologija je v 70. letih prejšnjega stoletja prvič pridobila oprijem v potrošniški elektroniki, na primer v elektronskih urah, vendar je bil v osemdesetih letih prejšnjega stoletja pojav zelo velike integracije (VLSI), ki je resnično zacementiral položaj CMO-jev kot temelj sodobne elektronike.ERA je bila priča zanesljivosti, odpornosti na hrup in zmogljivosti CMOS tehnologije, ki je povečala zanesljivost vezja med različnimi temperaturami in napetostmi, hkrati pa poenostavila celoten postopek oblikovanja.Te izboljšave niso samo povečale števila tranzistorjev s tisoč na milijone na enem samem čipu, ampak so tudi razširile funkcionalnost CMO na digitalne in mešane signalne modele VLSI, kar je presegalo starejše tehnologije, kot je tranzistor-transistorska logika (TTL) zaradi svoje vrhunske hitrosti in tranzistorske logike (TTL), zaradi njegove vrhunske hitrosti in TTL)Operacije nižje napetosti.

Katalog

Razumevanje tehnologije CMOS

Razvoj komplementarne tehnologije kovinsko-oksida-polprevodnika (CMOS) je bil velik del napredovanja digitalnega oblikovanja.Pojavilo se je predvsem zaradi potrebe po hitrejši obdelavi in ​​manjši porabi energije.Za razliko od naprav za bipolarne stične tranzistor (BJT), ki so odvisne od toka, CMOS uporablja mehanizme, ki jih nadzorujejo napetosti.Glavna razlika pomaga zmanjšati tok na vratih in znatno zmanjša izgubo energije.V 70. letih prejšnjega stoletja so CMO uporabljali predvsem v potrošniški elektroniki, kot so elektronske ure.

Pokrajina se je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja spremenila s pojavom tehnologije zelo velike integracije (VLSI), ki je iz več razlogov močno sprejela CMO.CMOS porabi manj moči, ponuja boljši odpornost hrupa in deluje dobro pri različnih temperaturah in napetostih.Prav tako poenostavi oblikovanje vezja, ki poveča zanesljivost in prilagodljivost.Te lastnosti so omogočile veliko povečanje gostote integracije čipov na osnovi CMOS, ki se premikajo od tisoč na milijone tranzistorjev na čip.

Danes so CMO koristni tako za digitalne kot mešane signalne modele VLSI, ki presegajo starejše tehnologije, kot je tranzistor-transistorska logika (TTL) zaradi svoje vrhunske hitrosti in učinkovitosti pri nižji napetosti.Njegova široka uporaba poudarja transformativni vpliv CMOS na sodobno elektroniko, zaradi česar je tehnologija za vse, od vsakodnevnih pripomočkov do naprednih računalniških sistemov.

Slika 1: Uporaba za uravnoteženje električnih značilnosti

Načelo delovanja CMO

Ključno načelo komplementarne tehnologije kovinsko-oksida-polprevodnika (CMOS) uporablja par tranzistorjev tipa N in P za ustvarjanje učinkovitih logičnih vezij.En sam vhodni signal nadzoruje preklopno vedenje teh tranzistorjev, pri čemer vklopi eno, medtem ko drugega izklopi.Ta zasnova odpravlja potrebo po tradicionalnih vlečnih uporih, ki se uporabljajo v drugih polprevodniških tehnologijah, kar poenostavi oblikovanje in izboljšuje energetsko učinkovitost.

V nastavitvi CMOS MOSFET N-tipa (tranzistorji polja-polprevodnikov kovin-okside-polprevodnika) tvorijo izvlečeno omrežje, ki povezuje izhod logičnega vrat na nizko napetostno napajanje, običajno ozemljitev (VSS).To nadomešča obremenitve v starejših logičnih vezjih NMOS, ki so bili manj učinkoviti pri upravljanju napetostnih prehodov in bolj nagnjeni k izgubi energije.Nasprotno pa P-Type MOSFES ustvarite vlečno omrežje, ki izhod povezuje z večjo napetostjo (VDD).Ta ureditev z dvojnim omrežjem zagotavlja, da se izhod nadzira stabilno in predvidljivo za kateri koli dani vhod.

Ko se vrata P-tipa MOSFET aktivirajo, se vklopi, medtem ko se ustrezni N-tip MOSFET izklopi in obratno.Ta medsebojna igra ne samo poenostavlja arhitekturo vezja, ampak tudi poveča operativno zanesljivost in funkcionalnost naprave.Tehnologija CMOS je koristna za uporabnike, ki potrebujejo zanesljive in učinkovite elektronske sisteme.

Slika 2: Uvod v CMOS Tech

Pretvornik

Inverter je glavni element digitalnega vezja, zlasti za binarno aritmetično in logično operacijo.Glavna funkcija je obrniti vhodni signal znotraj binarnih logičnih ravni.Preprosto povedano, "0" se šteje za nizke ali nič voltov, "1" pa visok ali V voltov.Ko pretvornik prejme vhod 0 voltov, oddaja V voltov, in ko prejme V voltov, oddaja 0 voltov.

Tabela resnice običajno prikazuje funkcijo pretvornika tako, da našteje vse možne vhode in njihove ustrezne izhode.Ta tabela jasno kaže, da vhod '0' ustvari izhod '1' in vhod '1' povzroči izhod '0'.Ta inverzijski postopek je potreben za logične odločitve in obdelavo podatkov v računalniških in digitalnih sistemih.

Delovanje pretvornika je potrebno za bolj zapletene digitalne interakcije.Omogoča gladko izvajanje računskih nalog na višji ravni in pomaga učinkovito upravljati pretok podatkov znotraj vezja.

Tabela 1: Tabela resnice pretvornika

Pretvornik CMOS

Inverter CMOS je model učinkovitosti v elektroniki, ki vsebuje preprost dizajn z NMOS in PMOS tranzistorji, povezanimi v seriji.Njihova vrata so vezana skupaj kot vhod, njihovi odtoki pa so priključeni, da tvorijo izhod.Ta razporeditev zmanjšuje odvajanje moči in optimizira vezje za energetsko učinkovitost.

Ko je vhodni signal visok (logika '1'), se vklopi NMOS tranzistor, ki izvaja tok in vleče izhod v nizko stanje (logika '0').Hkrati je tranzistor PMOS izklopljen in izolira pozitivno oskrbo od proizvodnje.Nasprotno, ko je vhod nizek (logika '0'), se NMOS tranzistor izklopi in tranzistor PMOS se vklopi, pri čemer se izhodi izhodi v visoko stanje (logika '1').

Ta koordinacija med tranzistorji NMOS in PMOS omogoča pretvorniku, da ohrani stabilen izhod kljub vhodni napetosti v ariat ioni.Z zagotavljanjem, da je en tranzistor vedno izklopljen, medtem ko je drugi vklopljen, pretvornik CMOS ohranja moč in preprečuje neposredno električno pot pred napajanjem na tla.Pomagal bo preprečiti nepotreben odtok električne energije.Ta nastavitev dvojnega tranzistorja določa glavno vlogo pretvornika CMOS v digitalnem vezju, kar zagotavlja zanesljivo logično inverzijo z minimalno porabo energije in visoko celovitostjo signala.

Slika 3: Logična vrata CMOS

Inverter NMOS

Inverter NMOS je zgrajen z uporabo preproste in učinkovite nastavitve.V tej konfiguraciji vrata služijo kot vhod, odtok funkcije kot izhod, tako vir kot substrat pa sta ozemljeni.Jedro te ureditve je N-kanalni MOSFET.Pozitivna napetost se nanese za odtok skozi obremenitveni upor, da se določi desno pristranskost.

Ko je vhod vrat ozemljen, ki predstavlja logiko '0', na vratih ni napetosti.To pomanjkanje napetosti preprečuje, da bi se v MOSFET oblikoval prevodni kanal, zaradi česar je odprt vezje z visoko odpornostjo.Kot rezultat, minimalni tok teče od odtoka do vira, zaradi česar se izhodna napetost dvigne blizu +V, kar ustreza logiki '1'.Ko se na vrata nanese pozitivna napetost, privabi elektrone na vmesnik vrat oksida, ki tvori kanal N-tipa.Ta kanal zmanjšuje upor med virom in odtokom, kar omogoča, da tok pretaka in spusti izhodno napetost na skoraj raven tal ali logiko '0'.

Ta operacija prikazuje pretvornik NMOS kot učinkovito napravo, ki je uporabna za binarne stikalne naloge.Koristno je prepoznati, da ta nastavitev porabi več moči, če je v stanju 'na'.Povečana poraba energije izhaja iz neprekinjenega toka, ki teče od napajanja na tla, ko je tranzistor aktiven, kar poudarja ključno operativno kompromis v zasnovi pretvornika NMOS.

Pretvornik pmos

Slika 4: Osnove CMOS ICS

Pretvornik PMOS je strukturiran podobno kot pretvornik NMOS, vendar z obrnjenimi električnimi povezavami.V tej nastavitvi se uporablja tranzistor PMOS s pozitivno napetostjo, ki se uporablja tako za podlago kot za vir, medtem ko je obremenitveni upor priključen na tla.

Kadar je vhodna napetost visoka pri +V (logika '1'), napetost od vrat do vira postane nič, tako da tranzistor 'izklopi'.To ustvarja visoko odpornost med izvorom in odtokom, tako da izhodno napetost ohranja nizko pri logiki '0'.

Ko je vhod pri 0 voltov (logika '0'), napetost od vrat do vira postane negativna glede na vir.Ta negativna napetost polni kondenzator vrat, s čimer se obrne površino polprevodnika od N-tipa do P-tipa in tvori prevodni kanal.Ta kanal drastično zniža upor med virom in odtokom, kar omogoča, da tok prosto teče iz vira do odtoka.Kot rezultat, se izhodna napetost dvigne blizu napajalne napetosti +V, kar ustreza logiki '1'.

Na ta način tranzistor PMOS deluje kot vlečna naprava, ki ob aktiviranju zagotavlja nizko odpornost do pozitivne napajalne napetosti.Zaradi tega je PMOS pretvornik primarna komponenta pri ustvarjanju stabilne in zanesljive logične inverzije.Zagotavlja, da je proizvodnja, kadar je to potrebno, močno poganjal v visoko stanje.

Prerez CMOS

Slika 5: Prerez vrat CMOS

Čip CMOS združuje NMOS in PMOS tranzistorje na enem silicijevem substratu, ki tvori kompaktno in učinkovito vezje pretvornika.Ogled preseka te nastavitve prikazuje strateško umestitev teh tranzistorjev, optimizacijo funkcionalnosti in zmanjšanje električnih motenj.

Tranzistor PMOS je vgrajen v substrat N-tipa, medtem ko je NMOS tranzistor nameščen v ločenem območju P-tipa, imenovanega P-Well.Ta ureditev zagotavlja, da vsak tranzistor deluje v optimalnih pogojih.P-V-zapis deluje kot operativno podlago za tranzistor NMOS in izolira električne poti tranzistorjev NMOS in PMO, kar preprečuje motnje.Ta izolacija je koristna za ohranjanje celovitosti signala in celotne zmogljivosti CMOS vezja.

Ta konfiguracija omogoča hitro in zanesljivo preklapljanje čipa med visokimi in nizkimi logičnimi stanji.Z vključitvijo obeh vrst tranzistorjev v eno enoto oblikovanje CMOS uravnoteži njihove električne značilnosti, kar vodi v bolj stabilne in učinkovite operacije vezja.Ta integracija zmanjšuje velikost in izboljša delovanje sodobnih elektronskih naprav, kar prikazuje napredni inženiring za tehnologijo CMOS.

Moč razprševanje pretvornika CMOS

Ključna značilnost tehnologije CMOS je njegova učinkovitost pri odvajanju moči, zlasti v statičnih ali prostem stanju.Ko je neaktiven, pretvornik CMOS črpa zelo malo moči, saj "izklopljen" tranzistor pušča le minimalni tok.Ta učinkovitost je koristna za vzdrževanje energetskih odpadkov in podaljšanje življenjske dobe prenosnih naprav.

Slika 6: Senzorji CMOS- za industrijske kamere

Med dinamičnim delovanjem, ko pretvornik preklopi, se odvajanje moči začasno poveča.Ta konica se pojavlja, ker so za kratek trenutek tako NMOS kot PMOS tranzistorji delno vklopljeni, kar ustvarja kratkotrajno neposredno pot za tok toka od napajalne napetosti do tal.Kljub temu prehodnem povečanju skupna povprečna poraba energije pretvornika CMOS ostaja precej nižja kot pri starejših tehnologijah, kot je tranzistor-transistorska logika (TTL).

Ta trajna nizka poraba energije v različnih operativnih načinih povečuje energetsko učinkovitost CMOS vezja.To je idealno za aplikacije, kjer je razpoložljivost moči omejena, na primer mobilne naprave in druge tehnologije, ki jih poganjajo bateriji.

Nizka stacionarna moči moči CMOS pretvornikov ustvarja manj toplote, kar zmanjšuje toplotni stres na komponentah naprave.Ta zmanjšana proizvodnja toplote lahko podaljša življenjsko dobo elektronskih naprav, zaradi česar je tehnologija CMOS ključni dejavnik pri oblikovanju bolj trajnostnih in stroškovno učinkovitih elektronskih sistemov.

Prenos napetosti DC, značilna za pretvornik CMOS

Slika 7: Optimizirajte vezja za učinkovitost moči in hitrosti

Značilnost prenosa napetosti DC (VTC) pretvornika CMOS je glavno orodje za razumevanje njenega vedenja.Prikaže razmerje med vhodnimi in izhodnimi napetostmi v statičnih (ne preklapljajočih se) pogojih, kar zagotavlja jasen pogled na uspešnost pretvornika na različnih vhodnih ravneh.

V dobro zasnovanem CMOS pretvorniku, kjer so NMOS in PMOS tranzistorji uravnoteženi, je VTC skoraj idealen.Je simetričen in ima oster prehod med visokimi in nizkimi izhodnimi napetostmi pri določenem pragu vhodne napetosti.Ta prag je točka, ko se pretvornik preklopi iz enega logičnega stanja v drugo, hitro se spreminja iz logike '1' v '0' in obratno.

Natančnost VTC je koristna za določitev delovnih napetosti digitalnih vezij.Identificira natančne točke, kjer bodo izhod spremenili stanja, zagotavljajo, da so logični signali jasni in dosledni, in zmanjšuje tveganje za napake zaradi napetostnih v ariat ionov.

Prednosti tehnologije CMOS

Tehnologija CMOS ponuja nizko statično porabo energije.Zaradi tega je bolj uporabna za elektronske aplikacije, zlasti pri napravah, ki jih poganjajo bateriji, saj energijo uporablja le med transakcijami z logičnim stanjem.

Zasnova CMOS tokokrogov sam poenostavlja kompleksnost, kar omogoča kompaktno, visoko gostoto logičnih funkcij na enem samem čipu.Ta funkcija je potrebna za izboljšanje mikroprocesorjev in pomnilniških čipov, izboljšanja operativnih zmogljivosti, ne da bi razširili fizično velikost silicija.Ta prednost gostote omogoča večjo procesorsko moč na enoto območja, kar olajša napredovanje pri tehnološki miniaturizaciji in sistemski integraciji.

Visoka imunost CMOS Technology zmanjšuje motnje in zagotavlja stabilno in zanesljivo delovanje sistemov, ki temeljijo na CMOS v elektronskih okoljih, ki so nagnjena k hrupu.Kombinacija nizke porabe energije, zmanjšane zapletenosti in močne imunosti hrupa utrjuje CMO kot temeljno tehnologijo v elektroniki.Podpira široko paleto aplikacij, od preprostih vezij do zapletenih digitalnih računalniških arhitektur.

Slika 8: Diagram tehnologije CMOS

Rekap o tehnologiji CMOS

Tehnologija CMOS je temelj sodobnega digitalnega dizajna, ki uporablja tako NMOS kot PMOS tranzistorje na enem samem čipu.Ta dvojno tranzistorski pristop poveča učinkovitost s komplementarnim preklopom in zmanjšuje porabo energije, kar je koristno v današnjem energetsko ozaveščenem svetu.

Moč CMOS tokokrogov izvira iz njihovih potreb po nizki moči in odlične imunosti hrupa.Te lastnosti so koristne za ustvarjanje zanesljivega in zapletenega digitalnega integriranega vezja.Tehnologija CMOS se učinkovito upira električnim motnjam, ki izboljša stabilnost in zmogljivost elektronskih sistemov.

Nizka statična poraba energije CMOS in zanesljivo delovanje sta najprimernejša izbira za številne aplikacije.Od potrošniške elektronike do vrhunskih računalniških sistemov, prilagodljivost in učinkovitost CMOS Technology še naprej spodbujata inovacije v elektronski industriji.Njegova široka uporaba poudarja njegov pomen pri napredovanju digitalne tehnologije.

Zaključek

Tehnologija CMOS stoji kot paragon inovacij na področju oblikovanja digitalnega vezja, ki nenehno spodbuja napredovanje elektronike iz osnovnih pripomočkov do zapletenih računalniških sistemov.Nastavitev dvojnih tranzistorjev NMOS in PMO na enem čipu je omogočila učinkovito preklapljanje, minimalno odvajanje moči in visoko stopnjo imunosti hrupa, zaradi česar so CMO uporabne pri ustvarjanju gostih, integriranih vezij.Zmanjšanje porabe energije brez žrtvovanja zmogljivosti se je dokazalo v dobi prenosnih naprav z baterijo.Robustnost tehnologije CMOS pri ravnanju z različnimi operativnimi in okoljskimi razmerami je razširila svoje aplikacije na številnih področjih.Ko se še naprej razvija, lahko tehnologija CMOS pomaga oblikovati prihodnjo pokrajino elektronskega oblikovanja.Zagotavlja, da ne ostane v ospredju tehnoloških inovacij in še naprej izpolnjuje vse večje potrebe po energetski učinkovitosti in miniaturizaciji v elektronskih napravah.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

1. Kako deluje CMO v digitalni elektroniki?

Komplementarna tehnologija kovinsko-oksida-polprevodnika (CMOS) je temeljna v digitalni elektroniki, predvsem zato, ker učinkovito nadzoruje pretok električne energije v napravah.V praksi vezje CMOS vključuje dve vrsti tranzistorjev: NMOS in PMO.Te so urejene, da se zagotovi, da naenkrat vodi samo eden od tranzistorjev, kar drastično zmanjša energijo, ki jo porabi vezje.

Ko deluje CMOS vezje, en tranzistor blokira tok, drugi pa ga pusti.Na primer, če se digitalni signal '1' (visoka napetost) vnese v pretvornik CMOS, se tranzistor NMOS vklopi (izvaja) in PMOS izklopi (bloki tok), kar ima za posledico nizko napetost ali '0'na izhodu.Nasprotno pa vhod '0' aktivira PMOS in deaktivira NMOS, kar ima za posledico visok izhod.To preklapljanje zagotavlja minimalno moč zapravljeno, zaradi česar so CMO -ji idealni za naprave, kot so pametni telefoni in računalniki, kjer je potrebna učinkovitost baterije.

2. Kakšna je razlika med MOSFET in CMO?

MOSFET (tranzistor iz kovinskega oksida-polprevodnika) je vrsta tranzistorja, ki se uporablja za preklapljanje elektronskih signalov.CMOS se na drugi strani nanaša na tehnologijo, ki za ustvarjanje digitalnih logičnih vezij uporablja dve komplementarni vrsti MOSFET (NMOS in PMO).

Primarno razliko je v njihovi uporabi in učinkovitosti.En sam MOSFET lahko deluje kot stikalo ali ojača signale, kar zahteva neprekinjen pretok moči in potencialno ustvari več toplote.CMOS z vključevanjem tako NMOS kot PMOS tranzistorjev izmenično med uporabo enega ali drugega, kar zmanjšuje potrebno moč in toploto.Zaradi tega so CMO primernejši za sodobne elektronske naprave, ki zahtevajo visoko učinkovitost in kompaktnost.

3. Kaj se zgodi, če očistite CMO?

Čiščenje CMO v računalniku ponastavi nastavitve BIOS (Osnovni vhod/izhodni sistem) na njihove tovarniške privzete.To se pogosto naredi za odpravljanje težav s strojno opremo ali zagonom, ki se lahko pojavijo zaradi napačnih ali poškodovanih nastavitev BIOS.

Če želite očistiti CMO, običajno na matični plošči s skakalcem kratko kratko zatičete določen par zatičev ali nekaj minut odstranite baterijo CMOS.To dejanje v BIOS -u izliva nestanovitni pomnilnik in izbriše vse konfiguracije, kot so naročilo zagona, sistemski čas in nastavitve strojne opreme.Po čiščenju CMO -jev boste morda morali ponovno konfigurirati nastavitve BIOS v skladu z računalniškimi potrebami ali združljivostjo strojne opreme.

4. Kaj bo nadomestilo CMO?

Medtem ko je tehnologija CMOS še vedno razširjena, simpatične raziskave namen razvijati alternative, ki bi lahko ponudile večjo učinkovitost, hitrost in integracijo, saj se tehnologija še naprej zmanjšuje.

Raziskujejo grafenske tranzistorje za njihove izjemne električne lastnosti, kot je večja mobilnost elektronov kot silicij, kar bi lahko privedlo do hitrejše hitrosti obdelave.

Uporablja kvantne bite, ki lahko obstajajo v več stanjih hkrati, kar ponuja eksponentno povečanje hitrosti za posebne izračune.

Spintronics: za kodiranje podatkov uporablja vrtenje elektronov, ne pa za njihovo polnjenje, potencialno zmanjšanje porabe energije in povečanje zmogljivosti za obdelavo podatkov.

Medtem ko so te tehnologije obetavne, bo prehod iz CMO v nov standard v digitalni elektroniki potreben premagovanje tehničnih izzivov in velike naložbe v nove proizvodne tehnologije.Do zdaj CMOS ostaja najbolj praktična in široko uporabljena tehnologija v digitalnem vezju zaradi svoje zanesljivosti in stroškovne učinkovitosti.