Uvod u CMOS tehnologiju
2024-07-09 6569

Evolucija digitalne elektronike oblikovana je razvojem komplementarnog tehnologije poluvodiča metala-oksiduktora (CMOS).Bezgrevan kao odgovor na potrebu za bržim brzinama obrade i efikasnija potrošnja energije, CMOS tehnologija ima revolucionirani dizajn kruga sa svojim inovativnim pristupom upravljanju i integritetom signala.Za razliku od uređaja za bipolarni sponktistor (BJT), koji ovise o trenutnom protoku, CMOS uređaji koriste mehanizme koji kontroliraju napon koji značajno smanjuju struju kape, na taj način minimiziranje gubitka energije.Ova tehnologija prvo je stekla vuča u potrošačkoj elektronici 1970-ih, kao što su u elektronskim satovima, ali je bila pojava vrlo velikih integracija (VLSI) u 1980-ima koji su u modernom elektroniku uistinuli položaj CMOS-a.ERA je svjedočio CMOS tehnologiji Pouzdanost, otpornost na buku i performanse kroz različite temperature i napone, istovremeno pojednostavljuju cjelokupni proces dizajna.Ova poboljšanja ne samo da se tranzistor ne samo da broje od hiljada na milione na jednom čipu, ali i proširila funkcionalnost CMOS-a i digitalnog i mješovitog signala VLSI dizajna, nadmašujući starije tehnologije poput tranzistorskog logike (TTL) zbog vrhunske brzine iNiže napon.

Katalog

Razumijevanje CMOS tehnologije

Razvoj komplementarnog tehnologije za poluvodik-oksiduk (CMOS) bio je ogroman dio u napretku digitalnog dizajna kruga.Pojavila se uglavnom zbog potrebe za bržim obradom i nižim potrošnji energije.Za razliku od uređaja za bipolarni zvuk tranzistor (BJT) koji ovise o tekućem protoku, CMOS koristi mehanizme upravljane naponom.Glavna razlika pomaže u smanjenju struje na kapiji, značajno rezanje gubitka snage.1970-ih CMOS se uglavnom koristio u potrošačkoj elektronici, poput elektronskih satova.

Pejzaž se promenila 1980-ih sa pojavom vrlo velikih integracija (VLSI) tehnologije, koja je u velikoj mjeri usvojila CMOS iz više razloga.CMOS koristi manju energiju, nudi bolju otpornost na buku i vrši se dobro na različitim temperaturama i naponima.Takođe pojednostavljuje dizajn kruga koji povećava pouzdanost i fleksibilnost.Te su karakteristike omogućile ogromno povećanje gustoće integracije CMOS-a na bazi CMOS-a, prelazeći od hiljada na milione tranzistora po čipu.

Danas je CMOS koristan za digitalni i miješani signal VLSI dizajna, nadmašujući starije tehnologije poput tranzistorske logike (TTL) zbog vrhunske brzine i efikasnosti na nižim naponima.Njegova raširena upotreba ističe CMOS-ov transformativni utjecaj na moderna elektronika, čineći ga tehnologijom za sve od svakodnevnih gadgeta do naprednih računarskih sistema.

Slika 1: Koristite za ravnotežu električnih karakteristika

Princip rada CMOS-a

Osnovni princip komplementarnog tehnologije za metal-oksiductor (CMOS) koristi par tranzistora N-Type i P-Type za stvaranje efikasnih logičkih krugova.Jedan ulazni signal kontrolira prebacivanje ponašanja ovih tranzistora, okrećući se jednim uključivanjem drugog isključivanja.Ovaj dizajn eliminira potrebu za tradicionalnim povlačenjem otpornika koji se koriste u drugim poluvodičkim tehnologijama, pojednostavljivanjem dizajna i poboljšanja energetske učinkovitosti.

U programu CMOS postavke, N-Type Mosfets (tranzistori metal-oksid-poluvodičkim tranzistorima) formiraju povlačenje mreže koja povezuje izlaz logičke kapije na niskonaponski opskrbu, obično tlo (VSS).To zamjenjuje otpornike opterećenja u starijim NMO-ovim logičkim krugovima, koji su bili manje efikasni u upravljanju prijelazima napona i sklonijima gubitka energije.Suprotno tome, P-Type MOSFETS Kreirajte mrežu povlačenja koja povezuje izlaz na viši napon (VDD).Ovaj raspored dvostruke mreže osigurava da se izlaz postaje složeno i predvidljivo za bilo koji donos.

Kada se aktivira kapija P-tipa MOSFET-a, on se uključuje dok odgovarajuća N-tipa MOSFET isključuje i obrnuto.Ova međusobna interakcija ne samo pojednostavljuje arhitekturu kruga već i poboljšava operativnu pouzdanost i funkcionalnost uređaja.CMOS tehnologija je korisna za korisnike koji su potrebni pouzdani i efikasni elektronički sustavi.

Slika 2: Uvod u CMOS Tech

Inverter

Inverter je primarni element digitalnog dizajna kruga, posebno za binarne aritmetičke i logičke operacije.Glavna funkcija je obrnuti ulazni signal unutar binarnih logičkih nivoa.Jednostavno, "0" se smatra niskim ili nultim volti, a '1' je visok ili V volts.Kada pretvarač dobije unos od 0 volti, IT izlazi V VALTS, a kada prima V VALTS, izlazi 0 volti.

Tablica istine obično pokazuje funkciju pretvarača po unosom svih mogućih ulaza i njihovih odgovarajućih izlaza.Ova tablica jasno pokazuje da ulaz '0' proizvodi izlaz '1', te ulaz '1' rezultira izlazom '0'.Ovaj postupak inverzije potreban je za logičke odluke i obradu podataka u računarskom i digitalnom sistemu.

Operacija pretvarača potreban je za složenije digitalne interakcije.Omogućuje glatko izvršavanje računarskih zadataka višeg nivoa i pomaže u upravljanju protokom podataka u okviru krugova učinkovito.

Tabela 1: Tabela istine pretvarača

CMOS pretvarač

CMOS pretvarač je model efikasnosti u elektronici, koji sadrži jednostavan dizajn s NMO-ovima i PMOS tranzistorima povezanim u seriji.Njihove su kapije vezane zajedno kao ulaz, a njihovi odvodi su povezani da formiraju izlaz.Ovaj aranžman smanjuje rasipanje snage, optimizirajući krug za energetsku efikasnost.

Kad je ulazni signal visok (logika '1'), NMOS tranzistor uključuje, provodeći struju i povlačenje izlaza u nisku državu (logiku '0').Istovremeno, PMOS tranzistor je isključen, izolirajući pozitivno snabdevanje iz rezultata.Suprotno tome, kada je ulaz nizak (logika '0'), NMOS tranzistor se isključuje, a tranzistor PMOS uključuje, vozeći izlaz u visoko stanje (logiku '1').

Ova koordinacija između NMO-a i PMOS tranzistora omogućava pretvaraču da održava stabilni izlaz uprkos ulazu u V ariat joni.Osiguravanjem da je jedan tranzistor uvijek isključen, dok je drugi uključen, CMOS pretvarač očvršćuje moć i sprečava izravan električni put od napajanja na zemlju.Pomoći će spriječiti nepotrebnu odvod snage.Ovaj dvoristor postavku definira primarnu ulogu CMOS pretvarača u digitalnom krugu, pružajući pouzdanu logičku inverziju uz minimalnu potrošnju energije i visokog integriteta signala.

Slika 3: CMOS logičke kapije

NMO inverter

Inverter NMO-a izgrađen je korištenjem jednostavne i efikasne postavke.U ovoj konfiguraciji kapija služi kao ulaz, funkcije odvoda funkcionira kao izlaz i izvor i supstrat su uzemljeni.Jezgra ovog aranžmana je N-kanalni MOSFET tipa poboljšanja.Pozitivan napon nanosi se na odvod kroz otpornik opterećenja za uspostavljanje prava pristranosti.

Kada je ulaz u kapiju uzemljeni, koji predstavlja logiku '0', na kapiji nije prisutan napon.Ovaj nedostatak napona sprječava provodljiv kanal od oblikovanja MOSFET-a, što ga čini otvorenim krugom s visokim otporom.Kao rezultat toga, minimalni struji teče iz odvoda do izvora, uzrokujući da se izlazni napon povećava blizu + V, što odgovara logici '1'.Kada se na kapiju nanese pozitivan napon, privlači elektrone na sučelje za oksid vrata, formirajući kanal N-Type.Ovaj kanal smanjuje otpor između izvora i odljeva, omogućavajući struji da protok i ispušta izlazni napon na gotovo prizemlje ili logiku '0'.

Ova operacija prikazuje NMO inverter kao efikasan uređaj za spuštanje, koristan za binarne preklopne zadatke.Korisno je prepoznati da se ova postavka ima tendenciju konzumiranja više energije kada je u stanju 'na'.Povećana potrošnja električne energije nastaje iz kontinuirane struje koja prolazi iz napajanja na terenu kada je tranzistor aktivan, ističući ključnu operativnu konstrukciju u dizajnu pretvarača NMO-a.

PMOS pretvarač

Slika 4: CMOS ICS osnove

Prenterter PMO-a strukturiran je slično s pretvaračem NMO-e, ali s obrnutim električnim priključcima.U ovom se postavljanju tranzistor PMO koristi pozitivan napon koji se primjenjuje na podlogu i izvor, dok je otpornik opterećenja spojen na zemlju.

Kada je ulazni napon visok na + V (logički '1'), napon vrata do izvora postaje nula, okrećući tranzistor 'isključen'.To stvara stazu visoke otpornosti između izvora i odvoda, zadržavajući izlazni napon na logici "0".

Kad je ulaz na 0 volti (logički '0'), napon vrata do izvora postaje negativan u odnosu na izvor.Ovaj negativni napon naplaćuje kondenzator kapije, invertiranje poluvodičke površine od N-tipa do P-tipa i formiranje provodljivog kanala.Ovaj kanal drastično snižava otpor između izvora i odvoda, omogućavajući struju da slobodno teče iz izvora do odvoda.Kao rezultat toga, izlazni napon se povećava u blizini napona napajanja + V, što odgovara logici '1'.

Na ovaj način, PMOS tranzistor djeluje kao uređaj za povlačenje, koji pružaju nisku otpornost na pozitivan napon napajanja prilikom aktiviranja.To čini pretvarač PMOS-a primarnu komponentu u stvaranju stabilne i pouzdane logičke inverzije.Osigurava da se izlaz snažno vozi u visokom stanju kada je potrebno.

Presjek CMOS-a

Slika 5: Presjek CMOS kapije

CMOS čip kombinira NMOS i PMOS tranzistore na jednoj silikonskoj podlozi, formirajući kompaktan i efikasan pretvarač.Pregled presjeka ovog postavljanja prikazuje stratešku postavljanje ovih tranzistora, optimiziranje funkcionalnosti i smanjenje električnih smetnji.

Tranzistor PMOS ugrađen je u podlogu N-Type, dok se tranzistor NMOS postavlja u zasebnu površinu P-tipa nazvana P-Well.Ovaj aranžman osigurava da svaki tranzistor djeluje u optimalnim uvjetima.P-Well djeluje kao operativni tereni za tranzistor NMO-a i izolira električne puteve NMO-a i PMOS tranzistora, sprečavajući smetnje.Ova izolacija je korisna za održavanje integriteta signala i cjelokupnih performansi CMOS kruga.

Ova konfiguracija omogućava da se čip brzo i pouzdano prebaci između stanja visoke i niske logike.Integriranjem obje vrste tranzistora u jednu jedinicu, CMOS dizajn saldira svoje električne karakteristike, što dovodi do stabilnijih i efikasnijih operacija kruga.Ova integracija smanjuje veličinu i poboljšava performanse modernih elektroničkih uređaja, prikazujući napredni inženjering iza CMOS tehnologije.

Rasipanje snage CMOS pretvarača

Ključna karakteristika CMOS tehnologije je njegova efikasnost u rasipanju energije, posebno u statičkim ili hodnovima.Kad neaktivan, pretvarač CMO-a crta vrlo malo snage jer tranzistor "Isključeno" curi samo minimalnu struju.Ova je efikasnost korisna za održavanje energetskog otpada i proširivši vijek trajanja baterije prijenosnih uređaja.

Slika 6: CMOS senzori - za industrijske kamere

Tijekom dinamičkog rada, kada pretvarač prebacuje države, rasipanje snage privremeno se povećava.Ovaj se šiljak pojavljuje jer su, nakratko, i NMOS i PMOS tranzistori djelomično nalaze, stvaraju kratkotrajni izravni put za strujni protok iz napona dovoda do zemlje.Unatoč ovom prolaznom povećanju, ukupna prosječna potrošnja energije CMOS pretvarača ostaje mnogo niža od one starije tehnologije poput tranzistor-tranzistor logike (TTL).

Ovo je održivala niska upotreba električne energije u različitim operativnim režimima poboljšava energetsku efikasnost CMOS krugova.Izrada idealnim za aplikacije u kojima je dostupnost napajanja ograničena, poput mobilnih uređaja i drugih tehnologija na baterije.

Neprivlačnici niskog stabilnog stanja CMOS pretvarača stvara manje topline koja smanjuje termički stres na komponentama uređaja.Ova smanjena generacija topline može produžiti životni vijek elektroničkih uređaja, čineći CMOS tehnologiju ključni faktor u dizajniranju održivih i isplativih elektroničkih sistema.

Transfer za istosmjerni napon karakterističan za pretvarač CMOS

Slika 7: Optimizirajte krugove za efikasnost snage i brzine

Karakterističan transfer napona DC (VTC) CMOS pretvarača je primarno sredstvo za razumijevanje njegovog ponašanja.Pokazuje odnos između ulaznih i izlaznih napona u statičkim (ne-preklopnim) uvjetima, pružajući jasan prikaz performansi pretvarača na različitim ulaznim nivoima.

U dobro dizajniranom CMOS pretvaraču, gdje su NMO i PMOS tranzistori uravnoteženi, VTC je gotovo idealan.Simmetrično je i ima oštar prijelaz između visokih i niskih izlaznih napona na specifičnom pragu ulaza napona.Ovaj prag je mjesto na kojem pretvarač prelazi iz jedne logičke države na drugu, brzo se mijenja iz logike '1' do '0' i obrnuto.

Preciznost VTC-a korisna je za utvrđivanje radnog napona digitalnih krugova.Identificira tačne točke u kojima će se izlaz mijenjati države, osiguravajući da su logički signali jasni i dosljedni i smanjujući rizik od grešaka zbog napona V ariat jona.

Prednosti CMOS tehnologije

CMOS tehnologija nudi nisku statičku potrošnju energije.Učiniti korisnim za elektroničke aplikacije, posebno u uređajima koji se napajaju baterije, jer koristi energiju samo tokom transakcija na državnim logičkim državnim transakcijama.

Dizajn CMOS sklopova svojstveno pojednostavljuje složenost, omogućavajući kompaktan raspored logičkih funkcija visoke gustine na jednom čipu.Ova je značajka potrebna za poboljšanje mikroprocesora i memorijskih čipova, poboljšavajući operativne mogućnosti bez širenja fizičke veličine silikona.Ova prednosti gustoće omogućava veću snagu za obradu po jedinici površine, olakšavajući napredak u minijarizaciji tehnološkoj i integraciji sistema.

Visok imunitet HMOS tehnologije smanjuje smetnje, osiguravanje stabilnog i pouzdanog rada sistema CMOS-a u elektronskim okruženjima sklona bukom.Kombinacija male potrošnje električne energije, smanjene složenosti i robusna imuniteta buke učvršćuje CMOS kao temeljnu tehnologiju u elektroniku.Podržava širok spektar primjena, od jednostavnih krugova do složenih digitalnih računarskih arhitekture.

Slika 8: CMOS tehnologija dijagram

Sažavanje CMOS tehnologije

CMOS tehnologija je kamen temeljac modernog dizajna digitalnog kruga, koristeći i NMO i PMOS tranzistore na jednom čipu.Ovaj dvostruki tranzistorski pristup povećava efikasnost putem komplementarnog prebacivanja i smanjuje potrošnju električne energije, što je korisno u današnjem svijetu svijesti energije.

Snaga CMOS sklopova dolazi iz njihovih niskih potreba za napajanjem i odličnom imunitetu buke.Te su osobine korisne za stvaranje pouzdanog i složenog digitalnog integriranog kruga.CMOS tehnologija učinkovito odolijeva električnom smetnji, poboljšavajući stabilnost i performanse elektroničkih sistema.

CMOS-ova mala statička potrošnja električne energije i pouzdan rad čine je preferirani izbor za mnoge aplikacije.Od potrošačke elektronike do visokog računarskog sistema, prilagodljivost i efikasnost CMOS tehnologije i dalje upravljaju inovacijama u industriji elektronike.Njegova raširena upotreba ističe njegovu važnost u napretku digitalne tehnologije.

Zaključak

CMOS tehnologija stoji kao paragon inovacija u polju dizajna digitalnog kruga, kontinuirano voze napredovanje elektronike iz osnovnih uređaja do složenih računarskih sistema.Dual-tranzistor Setup NMO-a i PMOS-a na jednom čipu dozvoljen je za efikasno prebacivanje, minimalno rasipanje snage i visok stepen imuniteta buke, čineći CMOS korisnim u stvaranju gustih, integriranih krugova.Smanjenje potrošnje energije bez žrtvovanja performansi dokazao se u eri prenosnih uređaja za napajanje baterija.Robusnost CMOS tehnologije u rukovanju različitim operativnim i okolišnim uvjetima proširio je svoje primjene u brojnim domenima.Kako se i dalje razvija, CMOS tehnologija može pomoći u obliku budućeg krajolika elektroničkog dizajna.Osigurava da ostaju na čelu tehnoloških inovacija i nastavlja ispunjavati sve veće zahtjeve za energetskom efikasnošću i minijaturizacijom u elektroničkim uređajima.

Često postavljana pitanja [FAQ]

1. Kako CMOS radi u digitalnoj elektronici?

Komplementarna tehnologija metal-oksiduktora (CMOS) tehnologija je osnovna u digitalnoj elektronici, prvenstveno zato što efikasno kontrolira protok električne energije na uređajima.U praksi, CMOS krug uključuje dvije vrste tranzistora: NMO i PMOS.Oni su raspoređeni kako bi se osiguralo da samo jedan od tranzistora provodi odjednom, što drastično smanjuje energiju koja troši krug.

Kada se radi CMOS krug, jedan tranzistor blokira struju dok drugi pušta da prođe.Na primjer, ako je digitalni signal '1' (visokog napona) ulaz u CMOS pretvarač, NMOS tranzistor uključuje (ponašanja), a PMOS se isključuje (blokira struju), što rezultira niskim naponom ili '0'na izlazu.Suprotno tome, unos '0' aktivira PMO i deaktivira NMO, što rezultira visokim izlazom.Ovo prebacivanje osigurava troši minimalnu energiju, izrađujući CMOS idealnim za uređaje poput pametnih telefona i računala u kojima je potrebna efikasnost baterije.

2. Koja je razlika između MOSFET-a i CMOS-a?

MOSFET (metal-oksidno-poluvodički efekt tranzistor) je vrsta tranzistora koji se koristi za prebacivanje elektroničkih signala.CMOS, s druge strane, odnosi se na tehnologiju koja koristi dvije komplementarne vrste MOSFET-ova (NMOS i PMOS) za kreiranje digitalnih logičkih krugova.

Primarna razlika leži u njihovoj primjeni i efikasnosti.Jedan MOSFET može funkcionirati kao prekidač ili pojačavanje signala, zahtijevajući kontinuirani protok snage i potencijalno generirajući više topline.CMOS, integrirajući oba tranzistora NMO-a i PMOS-a, izmjenjuje se između jedne ili druge, smanjujući potrebnu snagu i generiranu toplinu.To CMOS čini pogodnijim za moderne elektroničke uređaje koji zahtijevaju visoku efikasnost i kompaktnost.

3. Šta se događa ako očistite CMOS?

Brisanje CMOS-a na računaru resetira BIOS (osnovni ulazni / izlazni sistem) postavki na njihovu tvorničku zadane postavke.To se često radi na rješavanju problema hardvera ili pokretanja koji mogu nastati zbog netačnih ili oštećenih postavki BIOS-a.

Da biste očistili CMOS, tipično kratak specifičan par igle na matičnoj ploči pomoću skakača ili uklonite CMOS bateriju na nekoliko minuta.Ova radnja ispira isparljive memorije u BIOS-u, brišući bilo kakve konfiguracije kao što su narudžba za pokretanje, vremensko i hardverske postavke.Nakon uklanjanja CMOS-a, možda ćete trebati konfigurirati postavke BIOS-a prema vašim računalnim potrebama ili hardverskim kompatibilnošću.

4. Šta će zamijeniti CMOS?

Iako je CMOS tehnologija i dalje rasprostranjena, tekuća istraživanja ima za cilj razvijati alternative koje bi potencijalno mogle ponuditi veću efikasnost, brzinu i integraciju kao tehnologiju.

Istražuju se tranzistori grafena za svoja izuzetna električna svojstva, poput veće pokretljivosti elektrona od silikona, što bi moglo dovesti do brže brzine obrade.

Koristi kvantne bitove koji mogu postojati u više država istovremeno, nudeći se povećanja eksponencijalne brzine za određene izračuna.

SPINTRONICS: koristi spin elektrona, a ne na punjenje, kako bi kodirali podatke, potencijalno smanjujući potrošnju energije i povećanje mogućnosti obrade podataka.

Iako ove tehnologije obećavaju, prelazak iz CMOS-a na novi standard u digitalnoj elektronici zahtijevat će prevladavanje tehničkih izazova i značajnih ulaganja u nove tehnologije proizvodnje.Od sada, CMOS ostaje najpraktičniji i najčešće korišteni tehnologija u digitalnom dizajnu kruga zbog pouzdanosti i ekonomičnosti.