สิ่งที่ดีเกี่ยวกับ CMOS?

ฉันได้อ่านหัวข้อมากมายที่นี่ ฉันอ่านบางคนที่บอกว่าฉันชอบที่ "มีลักษณะของ CMOS" และในแผ่นข้อมูลบางอย่าง (เช่น AVR) พวกเขาบอกว่ามันมีคุณสมบัติของ CMOS และอื่น ๆ ... ฉันจำคำว่า "CMOS ที่เข้ากันได้" หรือไม่

เหตุใดการมี "คุณลักษณะของ CMOS" ทำให้คนภูมิใจ

ตรรกะ CMOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม) มีจำนวนลักษณะที่ต้องการ:

1. ความต้านทานอินพุตสูง สัญญาณอินพุตกำลังขับขั้วไฟฟ้าที่มีชั้นของฉนวน (โลหะออกไซด์) ระหว่างพวกเขาและสิ่งที่พวกเขากำลังควบคุม สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีความจุเล็กน้อย แต่มีความต้านทานไม่ จำกัด กระแสเข้าหรือออกจากอินพุต CMOS ที่เก็บไว้ที่ระดับหนึ่งเป็นเพียงการรั่วไหลมักจะ 1 1A หรือน้อยกว่า

2. เอาต์พุตขับทั้งสองวิธีอย่างแข็งขัน

3. ผลที่ได้จะสวยมากไปทางรถไฟ

4. โลจิคัล CMOS ใช้พลังงานน้อยมากเมื่ออยู่ในสถานะคงที่ การบริโภคในปัจจุบันมาจากการเปลี่ยนเป็นตัวเก็บประจุเหล่านั้นจะถูกชาร์จและปล่อยออกมา ถึงอย่างนั้นมันก็ยังมีอัตราส่วนความเร็วต่อกำลังที่ดีเมื่อเทียบกับตรรกะชนิดอื่น

5. ประตู CMOS นั้นง่ายมาก เกทพื้นฐานคืออินเวอร์เตอร์ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์เพียงสองตัว สิ่งนี้พร้อมกับการใช้พลังงานต่ำหมายความว่ามันให้ตัวเองได้ดีในการรวมเข้าด้วยกันอย่างหนาแน่น หรือในทางกลับกันคุณจะได้รับตรรกะมากมายสำหรับขนาดราคาและพลังงาน

มันหมายถึงวิธีการสร้างประตูบน IC CMOS ย่อมาจาก Complementary MOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์) ซึ่งใช้ทั้ง PMOS และ NMOS (เช่นเสริม) เพื่อสร้างตรรกะ
CMOS รวดเร็วมีพัดลมขนาดใหญ่ออกมาและใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ

ตระกูลอื่น ๆ คือ TTL (ตรรกะทรานซิสเตอร์ทรานซิสเตอร์, NPN / PNP ยังคงใช้อยู่), ECL (อีซีแอลตรรกะคู่ - เร็ว แต่สิ้นเปลืองพลังงานมาก - ยังคงใช้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน) DTL (ไดโอดทรานซิสเตอร์ตรรกะ - เก่า) และ RTL (ทรานซิสเตอร์ต้านทาน ตรรกะ (เก่ากว่า)

"เข้ากันได้กับ CMOS" หรือ "เข้ากันได้กับ TTL" มักใช้เพื่ออธิบายระดับแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับตรรกะ 1 และ 0

Oli และ Olin ได้อธิบายถึงความแข็งแกร่งของ CMOS แล้ว แต่ให้ฉันถอยหลัง

TL: DR: ตรรกะเสริมช่วยให้การแกว่งแรงดันไฟฟ้าทางรถไฟไปทางรถไฟและทรานซิสเตอร์ MOSFET เป็นเทคโนโลยีที่ปรับขนาดได้มาก (พันล้านทรานซิสเตอร์สามารถรับได้บนพื้นผิวขนาดเล็ก) ที่มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์มาก (เทียบกับ BJT)

ทำไมต้อง CMOS

ความต้องการประตูเสริมเป็นเพราะความจริงที่ว่าแนวคิดประตูที่ง่ายที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดของการดึงขึ้นและดึงลง ซึ่งหมายความว่ามีอุปกรณ์ (ทรานซิสเตอร์หรือชุดของทรานซิสเตอร์) ซึ่งดึง ouput สูง (ถึง '1') และอุปกรณ์อื่นเพื่อดึงลง (ถึง '0')

การเพิ่มประสิทธิภาพ nMOS ซึ่งเป็น MOSFET ที่ทำงานได้ดีที่สุดนั้นต้องการ $V_{GS}>V_T>0.7V$เพื่อที่จะเปิดและอนุญาตให้กระแสไหล; ด้วยเหตุผลนี้มันใช้งานได้ดีในฐานะอุปกรณ์ดึงลง แต่ไม่ดีเท่ากับดึงขึ้น (ปิดก่อนที่จะยอมให้แรงดันเอาท์พุทเพิ่มเป็น VDD) ดังนั้นความคิดที่จะใช้ pMOS ซึ่งทำหน้าที่แย่กว่าเล็กน้อย (เพราะรูเคลื่อนที่ช้ากว่าอิเล็กตรอน แต่นี่เป็นอีกเรื่องหนึ่ง) แต่ทำหน้าที่เหมือนดึงขึ้นอย่างสมบูรณ์

ดังนั้นเสริม ('C' ใน CMOS) เพราะคุณใช้อุปกรณ์สองตัวที่ทำงานในทางตรงกันข้ามและประกอบกัน จากนั้นตรรกะจะกลับด้านเนื่องจาก nMOS (ที่ดึงลง) ต้องใช้แรงดันอินพุตสูง ('1') เพื่อเปิดและ pMOS ต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำ ('0')

แต่ทำไม MOS ถึงดี

และข้อมูลเพิ่มเติม: ดังที่แลงกล่าวว่าเหตุผลหลักสำหรับการแพร่กระจายของเทคโนโลยี MOSFET ก็คือมันเป็นอุปกรณ์ภาพถ่ายซึ่งหมายความว่าเหมาะที่จะทำบนพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำ

นี่เป็นเพราะอย่างที่คุณเห็นในภาพการสร้าง MOSFET (นี่คือ n-channel, p-channel ในสารตั้งต้นเดียวกันนั้นต้องการพื้นที่เจือที่เรียกว่า n-well) โดยทั่วไปประกอบด้วยการเติมสอง n + region และ การเปิดเผยเกทและหน้าสัมผัส (ง่ายมาก)

BJT ทรานซิสเตอร์ในปัจจุบันทำด้วยเทคโนโลยีคล้าย MOS ซึ่งหมายถึง 'สลัก' บนพื้นผิว แต่โดยพื้นฐานแล้วพวกมันประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์สามชั้นที่มีสารทึบแสงต่างกันดังนั้นพวกมันจึงมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีที่ไม่ต่อเนื่อง ในความเป็นจริงวิธีที่พวกเขาสร้างขึ้นในขณะนี้คือการสร้างทั้งสามชั้นที่ระดับความลึกที่แตกต่างกันในซิลิคอนและ (เพียงแค่ให้ความคิด) ในเทคโนโลยีล่าสุดที่พวกเขาครอบครองพื้นที่ตามลำดับไมโครมิเตอร์กำลังสองหรือในขณะที่ทรานซิสเตอร์ MOS สร้างขึ้นในเทคโนโลยี <20 นาโนเมตร (อัปเดตค่านี้เป็นประจำ) ด้วยพื้นที่โดยรวมที่สามารถอยู่ในลำดับน้อยกว่า 100 นาโนเมตร² (ภาพด้านขวา)

ดังนั้นคุณจะเห็นได้ว่าเมื่อเพิ่มคุณสมบัติอื่นทรานซิสเตอร์ MOSFET จะเหมาะกว่ามาก (ในเทคโนโลยีปัจจุบัน) เพื่อให้ได้ขนาดใหญ่มากหรือ VLSI

อย่างไรก็ตามทรานซิสเตอร์สองขั้วยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อะนาล็อกเพื่อคุณสมบัติเชิงเส้นที่ดีขึ้น นอกจากนี้ BJT ยังเร็วกว่า MOSFET ที่สร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีเดียวกัน (หมายถึงขนาดของทรานซิสเตอร์)

CMOS กับ MOS

โปรดทราบว่า CMOS ไม่เท่ากับ MOS: เนื่องจาก C ใช้สำหรับ 'Complementary' จึงเป็นรูปแบบเฉพาะ (แม้ว่าจะใช้กันอย่างแพร่หลาย) สำหรับประตู MOS ในขณะที่วงจรความเร็วสูงมักใช้ตรรกะแบบไดนามิกซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อลดความจุอินพุตของ ประตู ในความเป็นจริงการพยายามผลักดันเทคโนโลยีให้ถึงขีด จำกัด การมีความจุของเกตสองตัว (ตามที่มีใน CMOS) ที่อินพุตเป็นสาเหตุของการสูญเสียประสิทธิภาพ คุณสามารถพูดได้ว่ามันเพียงพอที่จะเพิ่มกระแสที่ส่งมอบโดยขั้นตอนก่อนหน้า แต่เพื่อให้ตัวอย่างความเร็วในการชาร์จ 2x ต้องใช้กระแสไฟในการชาร์จ 2x นั่นหมายถึง 2x การนำไฟฟ้าซึ่งทำได้ด้วยความกว้างของช่องสัญญาณ 2x และ - ทำให้ประหลาดใจ ความจุอินพุต

ทอพอโลยีอื่น ๆ เช่นตรรกะผ่านทรานซิสเตอร์สามารถทำให้โครงสร้างของประตูบางอย่างง่ายขึ้นและบางครั้งก็บรรลุความเร็วสูงขึ้น

เกี่ยวกับอินเตอร์เฟส

การเปลี่ยนหัวข้อเมื่อพูดถึงไมโครคอนโทรลเลอร์และอินเทอร์เฟซสิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้คือความต้านทานอินพุตสูงของเกต CMOS ทำให้มีความสำคัญมากเพื่อให้แน่ใจว่าพินอินพุต / เอาท์พุตจะไม่ลอยตัว (ถ้ามีการป้องกัน เกตสามารถสัมผัสกับเสียงรบกวนภายนอกและรับค่าที่ไม่สามารถคาดเดาได้ (โดยมีการล็อคและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้) ดังนั้นการระบุว่าอุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติ CMOS ควรจะแนะนำสิ่งนี้ให้คุณด้วย

หากคุณรู้ทางเลือกที่เคยมีมาก่อนนั่นคือ CMOS หรือก่อน CMOS นั้นเร็วพอที่จะแข่งขันคุณจะเข้าใจว่ามันเป็นเทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยม

ทางเลือกคือ TTL, LS-TTL, P- หรือ NMOS

หากปราศจากการใช้พลังงานต่ำของเทคโนโลยี CMOS ไม่มีไมโครโพรเซสเตอร์ในปัจจุบันแม้แต่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริง

ไมโครโพรเซสเซอร์ CMOS ในปัจจุบันมีความหนาแน่นของพลังงาน (การกระจายพลังงานต่อพื้นที่ชิป) ซึ่งคล้ายกับของจานทำอาหาร ลองนึกภาพความหนาแน่นพลังงานของเทคโนโลยีทางเลือกจะสูงกว่า 100 หรือ 1,000 เท่า

เพียงเพื่อเพิ่มสิ่งที่ผู้อื่นได้ตอบไปแล้วหนึ่งในเหตุผลที่ผู้ผลิตชิปจะโฆษณาส่วนของพวกเขาคือรองรับ CMOS หรือมีเอาต์พุต CMOS จริงนั่นคือหมายความว่าคุณสามารถใช้ชิปของพวกเขาร่วมกับ CMOS และ CMOS อื่น ๆ ทั้งหมด ชิปที่รองรับ

ตัวอย่างเช่นถ้าคุณมีไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ FPGA ที่มีพิน I / O แบบ CMOS คุณสามารถใช้มันกับชิปกาวตรรกะของ CMOS หรือ CMOS EEPROM หรือ CMOS ADC การมีส่วนต่าง ๆ เหล่านี้ใช้อินเทอร์เฟซที่ได้มาตรฐานหมายความว่าคุณ (ส่วนใหญ่) รู้ว่าคุณสามารถเชื่อมต่อพวกเขาทั้งหมดเข้าด้วยกันและพวกมันจะทำงาน

CMOS หมายถึงเทคโนโลยีในการสร้างวงจรรวม (ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้กับอุปกรณ์แบบพาสซีฟเช่นตัวต้านทาน) มีเทคโนโลยีอื่น ๆเช่น TTL และ NMOS

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ CMOS คือมันใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ การออกแบบแบบ CMOS มีการใช้พลังงานแบบสถิตเกือบเป็นศูนย์ ในช่วงการเปลี่ยนภาพ CMOS เท่านั้นที่ใช้พลังงานไม่น้อย แต่ถึงกระนั้นก็ยังมีขนาดเล็กมากเมื่อสวิตช์ CMOS อย่างรวดเร็วตามคำสั่งของpicosecondsสำหรับการออกแบบที่ใช้งานได้จริงเร็วที่สุด (นั่นเป็นสาเหตุที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้พลังงานมากขึ้นที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นเนื่องจากความถี่ที่สูงขึ้นหมายถึงการเปลี่ยนความถี่บ่อยขึ้น)

ทั้งหมดนี้หมายถึงความร้อนเหลือทิ้งน้อยลงและวงจรรวมที่หนาแน่นมากขึ้น (เช่นรอยเท้า IC ที่เล็กลงสำหรับฟังก์ชั่นเดียวกัน) หากอุปกรณ์ของคุณใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เป็นส่วนใหญ่หรือต้องมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ (เช่นสมาร์ทโฟน) นี่คือชัยชนะครั้งใหญ่

โดยทั่วไปเราจำแนกครอบครัวตรรกะในสองประเภท 1) ครอบครัวตรรกะตรรกะ 2) ครอบครัวตรรกะตรรกะ bipol ครอบครัวของครอบครัวนี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้อุปกรณ์ unipolar เช่น MOSFET ดังนั้นมันเรียกว่ามีครอบครัว mos ตรรกะอดีต 1) PMOS 2) NMOS 3) CMOS