Вовед во технологијата CMOS
2024-07-09 6613

Еволуцијата на дигиталната електроника е обликувана од развој на комплементарна технологија за метал-оксид-полупроводник (CMOS).Појавен како одговор на потребата за побрза брзина на обработка и поефикасна потрошувачка на енергија, CMOS Technology го револуционизираше дизајнот на колото со својот иновативен пристап за управување со интегритетот на моќта и сигналот.За разлика од уредите за биполарен спој транзистор (BJT), кои зависат од тековниот проток, уредите CMOS користат механизми контролирани од напон кои значително ја намалуваат струјата на портата, со што се минимизира загубата на електрична енергија.Оваа технологија за прв пат се здоби со влечење во потрошувачката електроника во 1970-тите, како на пример во електронските часовници, но тоа беше доаѓањето на интеграција со многу големи размери (VLSI) во 1980-тите што навистина ја зацементираше позицијата на CMOS како камен-темелник во модерната електроника.ЕРА беше сведок на CMOS технологијата за подобрување на веродостојноста на колото, отпорноста на бучавата и перформансите преку различни температури и напони, истовремено поедноставување на целокупниот процес на дизајнирање.Овие додатоци не само што го зголемија броењето на транзисторот од илјадници на милиони на еден чип, туку и ја проширија функционалноста на CMOS и на дигитални и мешани сигнал VLSI дизајни, надминувајќи ги постарите технологии како логиката на транзистор-транзистор (TTL) заради нејзината супериорна брзина иоперации со понизок напон.

Каталог

Разбирање на технологијата CMOS

Развојот на комплементарната технологија за метал-оксид-полупроводник (CMOS) е огромен дел во унапредувањето на дизајнот на дигиталното коло.Се појави главно заради потребата за побрза обработка и помала потрошувачка на енергија.За разлика од уредите со биполарен спој транзистор (BJT), кои зависат од тековниот проток, CMOS користи механизми контролирани од напон.Најголемата разлика помага во намалувањето на струјата на портата, значително намалување на загубата на електрична енергија.Во 1970 -тите, CMOS главно се користеше во потрошувачката електроника, како што се електронските часовници.

Пејзажот се смени во осумдесеттите години на минатиот век со доаѓањето на технологијата за интеграција во многу големи размери (VLSI), која силно го усвои CMOS од неколку причини.CMOS користи помала моќност, нуди подобра отпорност на бучава и добро настапува на различни температури и напони.Исто така, го поедноставува дизајнот на колото што ја зголемува сигурноста и флексибилноста.Овие карактеристики овозможија огромно зголемување на густината на интеграцијата на чипови засновани на CMOS, преминувајќи од илјадници до милиони транзистори по чип.

Денес, CMOS е корисен и за дигиталните и за мешаните сигнал VLSI дизајни, надминувајќи ги постарите технологии како логиката на транзистор-транзистор (TTL) заради неговата супериорна брзина и ефикасност на пониски напони.Неговата широко распространета употреба го истакнува трансформативното влијание на CMOS врз модерната електроника, што го прави технологија за сè, од секојдневните гаџети до напредните компјутерски системи.

Слика 1: Користете за балансирање на електричните карактеристики

Работен принцип на CMOS

Основниот принцип на комплементарна технологија за метал-оксид-полупроводник (CMOS) користи пар транзистори од тип и тип и p-тип за да создаде ефикасни логички кола.Единствениот влезен сигнал го контролира однесувањето на префрлување на овие транзистори, вклучувајќи го едното додека го исклучувате другиот.Овој дизајн ја елиминира потребата за традиционални отпорници за влечење што се користат во други полупроводнички технологии, поедноставувајќи го дизајнот и подобрување на енергетската ефикасност.

Во поставката CMOS, N-тип MOSFETS (транзистори со ефект на полето на метално-оксид-полупроводници) формираат повлечена мрежа што го поврзува излезот на логичката порта со снабдување со низок напон, обично земја (VSS).Ова ги заменува отпорниците на оптоварувањето во постарите кола на логички NMOS, кои беа помалку ефикасни во управувањето со напонските транзиции и повеќе склони кон загуба на електрична енергија.Спротивно на тоа, P-Type MOSFETs создаваат мрежа за влечење што го поврзува излезот со поголемо напојување (VDD).Овој аранжман со двојна мрежа гарантира дека излезот е контролиран стабилно и предвидливо за кој било даден влез.

Кога се активира портата на P-типот MOSFET, таа се вклучува додека соодветниот MOSFET од типот N-тип се исклучува и обратно.Оваа интеракција не само што ја поедноставува архитектурата на колото, туку и ја подобрува оперативната сигурност и функционалноста на уредот.CMOS технологијата е корисна за корисниците на кои им се потребни зависни и ефикасни електронски системи.

Слика 2: Вовед во CMOS Tech

Инверторот

Инверторот е примарен елемент во дизајнот на дигиталното коло, особено за бинарни аритметички и логички операции.Главната функција е да се врати влезниот сигнал во рамките на нивото на бинарна логика.Во едноставни термини, „0“ се смета за ниски или нула волти, а „1“ е висок или V волти.Кога инверторот прима влез од 0 волти, излегува V волти и кога прима V волти, излегува 0 волти.

Табелата со вистинитоста обично ја демонстрира функцијата на инверторот со наведување на сите можни влезови и нивните соодветни излези.Оваа табела јасно покажува дека влезот на „0“ произведува излез од „1“, а внесот на „1“ резултира во излез од „0“.Овој процес на инверзија е потребен за логички одлуки и обработка на податоци во компјутерски и дигитални системи.

Операцијата на инверторот е потребна за посложени дигитални интеракции.Овозможува непречено извршување на компјутерски задачи на повисоко ниво и помага во ефикасно управување со протокот на податоци во кола.

Табела 1: Табела за вистината на инверторот

Инверторот CMOS

Инверторот CMOS е модел на ефикасност во електрониката, во кој има едноставен дизајн со NMOS и PMOS транзистори поврзани во серија.Нивните порти се врзани заедно како влез, а нивните канализации се поврзани за да го формираат излезот.Овој аранжман ја намалува дисипацијата на електрична енергија, оптимизирајќи го колото за енергетска ефикасност.

Кога влезниот сигнал е висок (логика '1'), транзисторот NMOS се вклучува, спроведува струја и влечејќи го излезот во мала состојба (логика '0').Во исто време, транзисторот на PMOS е исклучен, изолирајќи го позитивното снабдување од излезот.Спротивно на тоа, кога влезот е низок (логика '0'), транзисторот NMOS се исклучува, а транзисторот на PMOS се вклучува, возејќи го излезот во висока состојба (логика '1').

Оваа координација помеѓу транзисторите NMOS и PMOS му овозможува на инверторот да одржува стабилен излез и покрај влезниот напон V ariat јони.Обезбедувајќи дека едниот транзистор е секогаш исклучен, додека другиот е вклучен, инверторот CMOS ја зачувува моќноста и спречува директна електрична патека од напојувањето до земјата.Тоа ќе помогне да се спречи непотребно одвод на моќност.Оваа поставка со двојни транзистор ја дефинира примарната улога на инверторот CMOS во дигиталното коло, обезбедувајќи сигурна логичка инверзија со минимална потрошувачка на енергија и висок интегритет на сигналот.

Слика 3: Логички порти на CMOS

Инверторот NMOS

Инверторот NMOS е изграден со употреба на директно и ефикасно поставување.Во оваа конфигурација, портата служи како влез, одводот функционира како излез, а изворот и подлогата се заземјувани.Јадрото на овој аранжман е MOSFET од типот N-канал.Позитивен напон се применува на мозоци преку отпорник на оптоварување за да се утврди вистинското пристрасност.

Кога влезот на портата е заземјен, што претставува логика „0“, не е присутен напон на портата.Овој недостаток на напон спречува да се формира спроводлив канал во MOSFET, што го прави отворено коло со висок отпор.Како резултат, минималната струја тече од одводот до изворот, предизвикувајќи излезниот напон да се искачи близу до +V, што одговара на логика '1'.Кога се применува позитивен напон на портата, привлекува електрони во интерфејсот на портата оксид, формирајќи канал од типот N.Овој канал ја намалува отпорноста помеѓу изворот и одводот, дозволувајќи им на струјата да тече и да го испушти излезниот напон на скоро ниво на земја, или логиката '0'.

Оваа операција го покажува инверторот NMOS како ефикасен уред за влечење, корисен за задачи за бинарни префрлување.Корисно е да се признае дека оваа поставка има тенденција да троши поголема моќ кога е во состојба на „на“.Зголемената потрошувачка на енергија произлегува од континуираната струја што тече од напојувањето до земјата кога транзисторот е активен, истакнувајќи клучна оперативна размена во дизајнот на инверторот NMOS.

Инверторот на ПМО

Слика 4: Основи на CMOS ICS

Инверторот PMOS е структуриран слично на инверторот NMOS, но со обратни електрични врски.Во оваа поставка, транзистор PMOS се користи со позитивен напон што се применува и на подлогата и на изворот, додека отпорот на оптоварување е поврзан на земјата.

Кога влезниот напон е висок AT +V (логика '1'), напонот на портата до изворот станува нула, исклучувајќи го транзисторот „исклучен“.Ова создава голема патека на отпорност помеѓу изворот и одводот, одржувајќи го излезниот напон на логиката '0'.

Кога влезот е на 0 волти (логика '0'), напонот на портата до извор станува негативен во однос на изворот.Овој негативен напон го наплаќа кондензаторот на портата, вметнувајќи ја површината на полупроводникот од типот n до p-тип и формира спроводлив канал.Овој канал драстично ја намалува отпорот помеѓу изворот и одводот, дозволувајќи им на струјата да тече слободно од изворот до мозоци.Како резултат, излезниот напон се крева близу до напонот на снабдување +V, што одговара на логиката '1'.

На овој начин, PMOS Transistor делува како уред за влечење, кој обезбедува патека со низок отпор до позитивниот напон на снабдување кога се активира.Ова го прави PMOS инверторот примарна компонента во креирањето стабилна и сигурна логичка инверзија.Обезбедува дека излезот е силно управуван во високата состојба кога е потребно.

Пресек на CMOS

Слика 5: Пресек на портата CMOS

CMOS чип комбинира транзистори на NMOS и PMOS на единечен силиконски подлога, формирајќи компактно и ефикасно коло на инверторот.Гледањето на пресек на оваа поставка покажува стратешко поставување на овие транзистори, оптимизирање на функционалноста и намалување на електричното мешање.

Транзисторот на PMOS е вграден во подлогата N-тип, додека транзисторот NMOS е сместен во посебна област од типот P, наречена P-Well.Овој аранжман гарантира дека секој транзистор работи под оптимални услови.П-бунар делува како оперативен терен за транзисторот NMOS и ги изолира електричните патеки на транзисторите на NMOS и PMOS, спречувајќи мешање.Оваа изолација е корисна за одржување на интегритетот на сигналот и целокупните перформанси на CMOS на колото.

Оваа конфигурација му овозможува на чипот да се префрли помеѓу високи и ниски логички состојби брзо и сигурно.Со интегрирање на двата типа на транзистори во една единица, дизајнот CMOS ги балансира нивните електрични карактеристики, што доведува до постабилни и ефикасни операции на колото.Оваа интеграција ја намалува големината и ги подобрува перформансите на современите електронски уреди, покажувајќи го напредниот инженеринг зад CMOS технологијата.

Дисипација на моќност на инверторот CMOS

Клучна карактеристика на технологијата CMOS е нејзината ефикасност во дисипацијата на моќност, особено во статички или безделни состојби.Кога е неактивен, инверторот CMOS привлекува многу малку моќ, бидејќи транзисторот „OFF“ протекува само минимална струја.Оваа ефикасност е корисна за одржување на енергетскиот отпад и продолжување на траењето на батеријата на преносни уреди.

Слика 6: Сензори CMOS- За индустриски камери

За време на динамичното работење, кога се менува инверторот, дисипацијата на електрична енергија привремено се зголемува.Овој скок се јавува затоа што, за краток момент, и транзисторите на NMO и PMOS делумно се вклучени, создавајќи краткотрајна директна патека за проток на струја од напонот на снабдување до земја.И покрај ова привремено зголемување, целокупната просечна потрошувачка на енергија на инверторот CMOS останува многу помала од онаа на постарите технологии како логиката на транзистор-транзистор (TTL).

Оваа одржлива употреба на мала моќност во различни оперативни режими ја подобрува енергетската ефикасност на кола на CMOS.Што го прави идеален за апликации каде достапноста на електрична енергија е ограничена, како што се мобилни уреди и други технологии со батерија.

Ниското цртање на моќност на стабилна состојба на инвертерите CMOS генерира помалку топлина што го намалува термичкиот стрес на компонентите на уредот.Ова намалено производство на топлина може да го продолжи животниот век на електронските уреди, со што CMOS технологијата е клучен фактор за дизајнирање на поодржливи и економични електронски системи.

ДЦ -пренесување на напон карактеристика на инверторот CMOS

Слика 7: Оптимизирајте кола за ефикасност на електрична енергија и брзина

Карактеристиката на трансферот на напон DC (VTC) на инверторот CMOS е примарна алатка за разбирање на неговото однесување.Тоа ја покажува врската помеѓу влезните и излезните напони во статички (не-прекинувачки) услови, обезбедувајќи јасен преглед на перформансите на инверторот на различни нивоа на влез.

Во добро дизајниран инверторот CMOS, каде што транзисторите NMOS и PMOS се избалансирани, VTC е скоро идеален.Тој е симетричен и има остра транзиција помеѓу високи и ниски излезни напони на специфичен праг на влезен напон.Овој праг е точката кога инверторот се префрла од една логичка состојба во друга, брзо се менува од логиката „1“ во „0“ и обратно.

Прецизноста на VTC е корисна за да се утврдат опсегот на оперативни напони на дигиталните кола.Ги идентификува точните точки каде што излезот ќе ги промени состојбите, осигурувајќи дека логичките сигнали се јасни и конзистентни и го намалуваат ризикот од грешки заради напон V ariat јони.

Предности на технологијата CMOS

CMOS Technology нуди мала статичка потрошувачка на енергија.Што го прави покорисен за електронски апликации, особено во уредите со батерија, бидејќи користи енергија само за време на логички трансакции.

Дизајнот на кола на CMOS инхерентно ја поедноставува сложеноста, овозможувајќи компактен, аранжман со висока густина на логички функции на еден чип.Оваа одлика е потребна за подобрување на микропроцесорите и мемориските чипови, подобрување на оперативните способности без да се прошири физичката големина на силиконот.Оваа предност на густина овозможува поголема моќност на обработка по единица површина, олеснувајќи ги напредокот во технолошката минијатуризација и интеграцијата на системот.

Високиот имунитет на бучавата на CMOS технологијата го намалува мешањето, обезбедувајќи стабилно и сигурно работење на системите засновани на CMOS во електронски средини склони кон бучава.Комбинацијата на мала потрошувачка на енергија, намалена сложеност и робустен имунитет на бучава ги зацврстува CMOS како основна технологија во електрониката.Поддржува широк спектар на апликации, од едноставни кола до комплексни дигитални компјутерски архитектури.

Слика 8: Дијаграм за технологија CMOS

Резиме на технологијата CMOS

CMOS Technology е камен -темелник на современиот дизајн на дигитално коло, користејќи и NMOS и PMOS транзистори на еден чип.Овој пристап со дво-транзистор ја подобрува ефикасноста преку комплементарно префрлување и ја намалува потрошувачката на енергија, што е корисно во денешниот светски светски свет.

Јачината на кола на CMOS доаѓа од нивните барања за мала моќност и одличен имунитет на бучава.Овие особини се корисни за создавање на сигурен и комплексно дигитално интегрирано коло.CMOS технологијата ефикасно се спротивставува на електричното мешање, подобрувајќи ја стабилноста и перформансите на електронските системи.

Ниската статичка потрошувачка на енергија на CMOS и сигурна работа го прават најпосакуваниот избор за многу апликации.Од потрошувачката електроника до високо-компјутерските компјутерски системи, прилагодливоста и ефикасноста на CMOS Technology продолжуваат да водат иновации во индустријата за електроника.Неговата широко распространета употреба ја истакнува нејзината важност во унапредувањето на дигиталната технологија.

Заклучок

CMOS Technology е како парагон на иновации во областа на дизајнот на дигиталното коло, постојано водејќи го напредокот на електрониката од основните гаџети до комплексните компјутерски системи.Поставувањето на двојно-транзистор на NMO и PMO на еден чип овозможи ефикасно префрлување, минимална дисипација на моќност и висок степен на имунитет на бучава, што ги прави CMOs корисни во создавање на густи, интегрирани кола.Намалувањето на потрошувачката на енергија без жртвување на перформанси е докажано во ерата на преносни уреди со батерија.Робусноста на CMOS технологијата во ракување со разни оперативни и еколошки услови ги прошири своите апликации во бројни домени.Како што продолжува да се развива, CMOS технологијата може да помогне во обликувањето на идниот пејзаж на електронскиот дизајн.Обезбедува Т да остане во првите редови на технолошката иновација и продолжува да ги исполнува зголемените побарувања за енергетска ефикасност и минијатуризација во електронските уреди.

Често поставувани прашања [ЧПП]

1. Како работи CMO во дигиталната електроника?

Комплементарната технологија на метал-оксид-полупроводник (CMOS) е основна во дигиталната електроника, пред се затоа што ефикасно го контролира протокот на електрична енергија кај уредите.Во пракса, CMOS коло вклучува два вида на транзистори: NMOS и PMOS.Овие се распоредени за да се обезбеди дека само еден од транзисторите спроведува истовремено, што драстично ја намалува енергијата потрошена од колото.

Кога ќе се работи CMOS коло, едниот транзистор ја блокира струјата, додека другиот дозволува да помине.На пример, ако дигиталниот сигнал од „1“ (висок напон) се внесува во инверторот CMOS, NMOS Transistor се вклучува (спроведува), а PMO се исклучува (блокира струја), што резултира во низок напон или '0' 'на излез.Спротивно на тоа, влезот на '0' ги активира PMOS и ги деактивира NMOS, што резултира во голем излез.Ова префрлување гарантира дека минималната моќност е потрошена, со што CMOS е идеален за уреди како паметни телефони и компјутери каде е потребна ефикасност на батеријата.

2. Која е разликата помеѓу MOSFET и CMOS?

MOSFET (метал-оксид-полупроводник-ефект-ефект на транзистор) е еден вид транзистор што се користи за префрлување на електронски сигнали.CMOS, од друга страна, се однесува на технологија која користи два комплементарни типа на MOSFET (NMOS и PMO) за да создаде дигитални логички кола.

Примарната разлика лежи во нивната примена и ефикасност.Еден MOSFET може да функционира како прекинувач или да ги засили сигналите, што бара континуиран проток на моќност и потенцијално создавање поголема топлина.CMOS, со интегрирање на NMOS и PMOS транзистори, наизменично помеѓу употреба на еден или друг, намалување на потребната моќност и генерирана топлина.Ова го прави CMOS посоодветен за современи електронски уреди за кои е потребна висока ефикасност и компактност.

3. Што се случува ако ги расчистите CMOS?

Чистење на CMOS на компјутер ги ресетира поставките на BIOS (основен влез/излезен систем) на нивните фабрички стандардно.Ова често се прави за смена на проблеми со хардвер или проблеми со подигнување што може да се појават како резултат на неточни или расипани поставки за BIOS -от.

За да ги исчистите CMO, обично кратко одреден пар иглички на матичната плоча со помош на скокач или извадете ја батеријата CMOS за неколку минути.Оваа акција ја разгорува непостојаната меморија во BIOS -от, бришејќи ги сите конфигурации, како што се нарачката за подигање, времето на системот и поставките за хардвер.По расчистувањето на CMO, можеби ќе треба да ги конфигурирате поставките за BIOS -от според вашите компјутерски потреби или компатибилноста на хардверот.

4. Што ќе ги замени CMOS?

Додека CMOS технологијата е сè уште распространета, тековните истражувања имаат за цел да развијат алтернативи што потенцијално би можеле да понудат поголема ефикасност, брзина и интеграција, бидејќи технолошките размери понатаму.

Транзисторите на графен се истражуваат за нивните исклучителни електрични својства, како што е поголема мобилност на електроните од силикон, што може да доведе до побрза брзина на обработка.

Користете квантни битови што можат да постојат во повеќе држави истовремено, нудејќи експоненцијално зголемување на брзината за специфични пресметки.

Spintronics: користи вртење на електрони, наместо нивно полнење, за да кодира податоци, потенцијално намалување на потрошувачката на енергија и зголемување на можностите за обработка на податоци.

Додека овие технологии се ветувачки, преминувањето од CMO во нов стандард во дигиталната електроника ќе бара надминување на техничките предизвици и значителни инвестиции во нови производствени технологии.Од сега, CMOS останува најпрактична и широко користена технологија во дизајнот на дигиталното коло заради неговата сигурност и економичноста.