Apa hebatnya CMOS?

Saya sudah membaca banyak topik di sini. Saya membaca beberapa orang mengatakan saya lebih suka "memiliki karakteristik CMOS" & seterusnya, juga di beberapa lembar data (seperti AVR), mereka mengatakan itu memiliki karakteristik CMOS, dll ... Saya ingat sekali kata "kompatibel dengan CMOS"?

Jadi mengapa memiliki "karakteristik CMOS" membuat orang bangga?

Logika CMOS (semikonduktor oksida logam komplementer) memiliki sejumlah karakteristik yang diinginkan:

1. Impedansi input tinggi. Sinyal input mengemudi elektroda dengan lapisan isolasi (oksida logam) di antara mereka dan apa yang mereka kontrol. Ini memberi mereka sejumlah kecil kapasitansi, tetapi sebenarnya resistensi yang tak terbatas. Arus masuk atau keluar dari input CMOS yang ditahan pada satu tingkat hanyalah kebocoran, biasanya 1 μA atau kurang.

2. Output secara aktif menggerakkan kedua cara.

3. Outputnya cukup banyak rail-to-rail.

4. Logika CMOS mengkonsumsi daya yang sangat kecil saat disimpan dalam keadaan tetap. Konsumsi saat ini berasal dari switching karena kapasitor dibebankan dan dikosongkan. Bahkan kemudian, ia memiliki rasio kecepatan terhadap daya yang baik dibandingkan dengan tipe logika lainnya.

5. Gerbang CMOS sangat sederhana. Gerbang dasar adalah inverter, yang hanya dua transistor. Ini bersama dengan konsumsi daya yang rendah berarti itu cocok untuk integrasi padat. Atau sebaliknya, Anda mendapatkan banyak logika untuk ukuran, biaya, dan kekuatan.

Ini mengacu pada bagaimana gerbang dibangun di IC. CMOS adalah Complementary MOS (semikonduktor oksida logam), yang menggunakan PMOS dan NMOS (yaitu komplementer) untuk membangun logika.
CMOS cepat, memiliki kipas besar dan menggunakan daya lebih sedikit dibandingkan teknologi lainnya.

Keluarga lain adalah TTL (logika transistor-transistor, NPN / PNP masih digunakan), ECL (emitor coupled logic - cepat tetapi mengkonsumsi banyak daya - masih digunakan dalam berbagai bentuk) DTL (diode transistor logic - old), dan RTL (resistor transistor logika (lebih tua)

"Kompatibel dengan CMOS" atau "Kompatibel dengan TTL" sering digunakan untuk menggambarkan tingkat tegangan yang diperlukan untuk logika 1 dan 0.

Oli dan Olin telah menjelaskan kekuatan CMOS, tetapi izinkan saya mengambil langkah mundur.

TL: DR: Logika komplementer memungkinkan ayunan tegangan keluaran rail-to rail, dan transistor MOSFET adalah teknologi yang sangat skalabel (milyaran transistor dapat diperoleh pada permukaan kecil) dengan beberapa sifat yang sangat berguna (dibandingkan dengan BJT).

Mengapa CMOS?

Kebutuhan gerbang pelengkap adalah karena fakta bahwa konsep gerbang paling sederhana didasarkan pada gagasan pull-up dan pull-down; ini berarti ada perangkat (transistor atau rangkaian transistor) yang menarik ouput tinggi (ke '1') dan perangkat lain untuk menariknya (ke '0').

$V_{GS}>V_T>0.7V$

Jadi komplementer ('C' dalam CMOS) karena Anda menggunakan dua perangkat yang berperilaku sebaliknya dan karenanya saling melengkapi. Kemudian, logikanya terbalik karena nMOS (yang menarik ke bawah) memerlukan tegangan input tinggi ('1') untuk menghidupkan dan pMOS membutuhkan tegangan rendah ('0').

Tetapi mengapa MOS baik?

Dan beberapa informasi tambahan: seperti yang juga dikatakan Olin, alasan utama penyebaran teknologi MOSFET adalah bahwa itu adalah perangkat planar, yang berarti cocok untuk dibuat pada permukaan semikonduktor.

Ini karena, seperti yang dapat Anda lihat dalam gambar, membangun MOSFET (ini adalah saluran-n, saluran-p dalam substrat yang sama memerlukan wilayah doping tambahan yang disebut n-well) pada dasarnya terdiri dari doping dua wilayah n + dan menggeser gerbang dan kontak (sangat sangat sederhana).

Transistor BJT saat ini juga dibuat dalam teknologi mirip MOS, yang berarti 'tergores' pada permukaan, tetapi pada dasarnya mereka terdiri dalam tiga lapisan semikonduktor yang diolah secara berbeda, sehingga mereka terutama dimaksudkan untuk teknologi diskrit. Bahkan, cara mereka sekarang dibangun adalah menciptakan tiga lapisan ini pada kedalaman yang berbeda dalam silikon, dan (hanya untuk memberikan ide), dalam teknologi baru-baru ini mereka menempati area dalam urutan mikrometer kuadrat atau lebih, sedangkan transistor MOS dapat berupa dibangun dengan teknologi <20 nm (perbarui nilai ini secara berkala), dengan area keseluruhan yang dapat berada dalam urutan kurang dari 100 nm². (gambar di kanan)

Jadi Anda dapat melihat bahwa, ditambahkan ke properti lain, transistor MOSFET jauh lebih cocok (dalam teknologi saat ini) untuk mencapai Integrasi Skala Sangat Besar, atau VLSI.

Bagaimanapun, transistor bipolar masih banyak digunakan dalam elektronik analog, karena sifat linearitasnya yang lebih baik. Juga, BJT lebih cepat daripada MOSFET yang dibangun dengan teknologi yang sama (dimaksudkan sebagai dimensi transistor).

CMOS vs MOS

Perhatikan bahwa CMOS tidak setara dengan MOS: karena C adalah untuk 'Pelengkap', ini adalah konfigurasi khusus (bahkan jika banyak digunakan) untuk gerbang MOS, sementara sirkuit kecepatan tinggi sering menggunakan logika dinamis, yang pada dasarnya bertujuan untuk mengurangi kapasitansi input dari gerbang. Bahkan, mencoba untuk mendorong teknologi ke batas, memiliki dua kapasitansi gerbang (seperti CMOS miliki) pada input adalah penyebab hilangnya kinerja. Anda bisa mengatakan bahwa itu cukup untuk meningkatkan arus yang disampaikan oleh tahap sebelumnya tetapi, untuk membuat contoh, kecepatan pengisian 2x membutuhkan arus pengisian 2x, itu berarti 2x konduktivitas, yang dicapai dengan lebar saluran 2x, dan - kejutan - yang menggandakan input kapasitansi.

Topologi lain, seperti pass-transistor logic, dapat menyederhanakan struktur gerbang tertentu dan terkadang mencapai kecepatan yang lebih tinggi.

Tentang antarmuka

Mengubah topik, ketika berbicara tentang mikrokontroler dan antarmuka, penting untuk diingat bahwa impedansi input yang tinggi dari gerbang CMOS membuat sangat penting untuk memastikan bahwa pin Input / Output tidak pernah dibiarkan mengambang (jika mereka memiliki perlindungan, ini dipastikan secara internal), karena mereka Gerbang dapat terkena kebisingan eksternal dan mengambil nilai yang tidak terduga (dengan kemungkinan kait dan kerusakan). Jadi menyatakan bahwa perangkat memiliki karakteristik CMOS juga harus memberi tahu Anda tentang hal ini.

Jika Anda tahu alternatif yang ada sebelum ada CMOS atau sebelum CMOS cukup cepat untuk bersaing Anda akan mengerti bahwa itu adalah teknologi yang hebat.

Alternatifnya adalah TTL, LS-TTL, P- atau NMOS.

Tanpa konsumsi daya yang rendah dari teknologi CMOS, tidak satu pun dari mikroprosesor saat ini bahkan hampir dapat digunakan secara praktis.

Mikroprosesor CMOS hari ini memiliki kerapatan daya (disipasi daya per area chip) yang mirip dengan pelat memasak. Bayangkan kepadatan daya teknologi alternatif akan 100 atau 1000 kali lebih tinggi.

Hanya untuk menambah apa yang sudah dijawab orang lain, salah satu alasan pembuat chip akan mengiklankan bagian mereka adalah yang kompatibel dengan CMOS, atau memiliki output CMOS yang sebenarnya, adalah itu berarti bahwa Anda dapat menggunakan chip mereka dengan semua CMOS dan CMOS lainnya. chip yang kompatibel.

Misalnya, jika Anda memiliki mikrokontroler atau FPGA dengan pin I / O CMOS, maka Anda dapat menggunakannya dengan chip logika lem CMOS, atau CMOS EEPROM, atau CMOS ADC. Memiliki semua bagian ini menggunakan antarmuka standar berarti Anda (kebanyakan) tahu Anda dapat menghubungkan mereka semua satu sama lain, dan mereka akan berfungsi.

CMOS mengacu pada teknologi untuk membuat sirkuit terintegrasi (sehingga tidak berlaku untuk perangkat pasif seperti resistor). Teknologi lain ada , seperti TTL dan NMOS.

Keuntungan besar CMOS adalah ia menggunakan daya yang lebih kecil daripada teknologi lainnya. Desain CMOS hampir tidak memiliki konsumsi daya statis. Hanya selama transisi CMOS menggunakan jumlah daya yang tidak dapat diabaikan, tetapi bahkan masih sangat kecil karena CMOS beralih dengan cepat , berdasarkan urutan picoseconds untuk desain praktis tercepat. (Itu sebabnya mikrokontroler mengonsumsi lebih banyak daya pada frekuensi clock yang lebih tinggi, karena frekuensi yang lebih tinggi berarti transisi yang lebih sering.)

Semua itu berarti lebih sedikit limbah panas dan sirkuit terintegrasi yang lebih padat (yaitu jejak kaki IC yang lebih kecil untuk fungsi yang sama). Jika sebagian besar perangkat Anda menggunakan baterai, atau harus sekecil mungkin (mis. Smartphone), ini adalah kemenangan besar.

Pada dasarnya kita dikelompokkan logika familys dalam DUA tipe 1) famili logika unipolar 2) logika bipol familys ICs dari keluarga ini dibangun menggunakan perangkat unipolar seperti MOSFET.