CMOS

Circuit simplificat al invertorului cu tehnologie CMOS

CMOS ( acronimul semiconductorului metal-oxid complementar) este un tip de tehnologie utilizată în electronica digitală pentru proiectarea circuitelor integrate , a cărei bază este utilizarea invertorului la tranzistorul MOSFET .

Descriere

Este o structură de circuit care constă dintr-o serie de rețele "Pull-Up" și "Pull-Down": prima este responsabilă pentru replicarea corectă a nivelului logic înalt LL1, în timp ce al doilea este pentru gestionarea nivelului logic LL0 scăzut. Această topologie a circuitului a fost inventată de Frank Wanlass în 1967.

Rețeaua Pull-Up este formată din MOSFET-uri cu canal P , care „pornesc” numai dacă tensiunea prezentă pe poartă (măsurată în raport cu sursa ) este mai mică decât tensiunea de prag . Invers, rețeaua Pull-Down este formată din MOSFET-uri cu canal N care se activează numai dacă tensiunea prezentă pe poartă (măsurată în raport cu sursa ) este mai mare decât tensiunea de prag.

Pentru a înțelege cum este structurată tehnologia CMOS, poate fi util să observați o poartă logică NU realizată cu tehnologia CMOS. Se poate observa că, în cazul în care semnalul de intrare este la LL1, doar N-MOS este activat prin aducerea ieșirii la LL0. În schimb, cu intrarea la LL0, este singurul P-MOS care este activat aducând ieșirea la LL1. Particularitatea acestei porți logice este de a avea o dinamică logică de ieșire completă, adică egală cu tensiunea maximă aplicată, Vcc; în plus, nici plasa de tragere și nici plasa de tragere nu suferă de efectul corpului. Componentele realizate cu această tehnologie sunt caracterizate de un consum de curent extrem de redus.

Caracteristici

Secțiune transversală a doi tranzistori într-o poartă CMOS

Proces de microfabricare simplificat.
NB: contactele de poartă , sursă și de scurgere nu se află într-adevăr pe același plan, iar diagrama nu este la scară.

Unul dintre principalele avantaje ale logicii CMOS este de a avea o putere statică disipată ideal zero: această caracteristică se datorează complementarității pull-down-ului (n-Mos) și a pull-up-ului (p-Mos); adică, atunci când pull-up-ul este activat, pull-down-ul este dezactivat și invers. În realitate există curenți mici de scurgere (pentru încărcarea / descărcarea capacităților parazite, curentul de scurtcircuit în timpul comutării de stare, pentru pierderile la joncțiuni și pentru curenții sub prag), neglijabil dacă numărul de MOS este relativ mic, dar care poate devin deosebit de vizibile, în special curenții sub prag sunt responsabili pentru aproximativ jumătate din disiparea puterii în concretizările curente VLSI .

Elemente de baza

Prin dimensionarea adecvată a celor două MOS (simetrice din punct de vedere funcțional) este posibil să existe o curbă caracteristică simetrică, o soluție optimă pentru a avea o marjă de imunitate la interferență cât mai mare posibil. Trăsătura de câștig ridicat este independentă de raportul factorilor de formă ai celor două MOS ( ratioless ).

Elementele de bază pentru construirea oricărui circuit digital sunt:

NAND : realizat cu un pull-up format din doi p-Moses în paralel și un pull-down de doi n-Moses în serie
NOR : realizat cu pull-up format din doi p-Moses în serie și pull-down-uri din două n-Moses în paralel

Orice funcție logică binară poate fi exprimată în termenii acestor doi operatori.

FSI și BSI

CMOS au inițial o structură de tip FSI ( iluminare frontală ), unde stratul de siliciu (fotosenzori) este plasat în partea de jos, în timp ce este prevăzut cu aranjamentul BSI ( iluminare din spate ), deoarece stratul de siliciu este plasat deasupra straturilor de metal (servește fotodiodă pentru a converti fotonii de lumină în electroni, deci în semnale electrice), ceea ce permite o sensibilitate mai mare la lumină și datorită aranjamentului, de asemenea, o fidelitate mai mare a culorilor (o contaminare mai mică a pixelilor adiacenți) și posibilitatea utilizării mai multor optici compacte. ^[1]

Puterea dinamică s-a risipit

Pot fi identificate două tipuri de disipări de putere dinamice:

Puterea de scurtcircuit
Puterea asociată cu încărcarea / descărcarea condensatorului

\langle P\rangle ={\frac {1}{T}}\int P(t)\operatorname {d} t

{\ displaystyle \ langle P \ rangle = {\ frac {1} {T}} \ int P (t) \ operatorname {d} t}

\ langle P \ rangle = \ frac {1} {T} \ int P (t) \ operatorname dt

Puterea de scurtcircuit

Neglijarea capacității parazitare $C_{l}$ ${\ displaystyle C_ {l}}$ $C_ {l}$ și ia în considerare un semnal de intrare care include o margine ascendentă și descendentă, ținând cont de întârzierea propagării ( $t_{r}$ ${\ displaystyle t_ {r}}$ $t_r$ Și $t_{f}$ ${\ displaystyle t_ {f}}$ $t_f$ sunt nenule). Din clipa aceea $t_{a}$ ${\ displaystyle t_ {a}}$ $t_a$ la $t_{c}$ ${\ displaystyle t_ {c}}$ $t_c$ și din $t_{d}$ ${\ displaystyle t_ {d}}$ $t_d$ la $t_{f}$ ${\ displaystyle t_ {f}}$ $t_f$ curentul nu este nul deoarece atât PU cât și PD sunt activate. Deci, puterea va avea o valoare diferită de zero în acele puncte; amintiți-vă că puterea dinamică este:

Graficul

V_{i}

{\ displaystyle V_ {i}}

Tu

Și

I_{d}

{\ displaystyle I_ {d}}

I_d

în ceea ce privește timpul logicii CMOS

P_{d}=V_{dd}\,I_{d}\

{\ displaystyle P_ {d} = V_ {dd} \, I_ {d} \}

{\ displaystyle P_ {d} = V_ {dd} \, I_ {d} \}

Apoi calculăm puterea activă :

\langle P_{d}\rangle ={\frac {1}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}P_{d}\operatorname {d} t\right]=

{\ displaystyle \ langle P_ {d} \ rangle = {\ frac {1} {T}} \ left [\ int _ {t_ {a}} ^ {t_ {b}} P_ {d} \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {b}} ^ {t_ {c}} P_ {d} \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {d}} ^ {t_ {e}} P_ {d} \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {e}} ^ {t_ {f}} P_ {d} \ operatorname {d} t \ right] =}

\ langle P_d \ rangle = \ frac {1} {T} \ left [\ int_ {t_a} ^ {t_b} P_d \ operatorname dt + \ int_ {t_b} ^ {t_c} P_d \ operatorname dt + \ int_ {t_d} ^ {t_e} P_d \ operatorname dt + \ int_ {t_e} ^ {t_f} P_d \ operatorname dt \ right] =

={\frac {V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t\right]

{\ displaystyle = {\ frac {V_ {dd}} {T}} \ left [\ int _ {t_ {a}} ^ {t_ {b}} I_ {dn, sat} (t) \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {b}} ^ {t_ {c}} I_ {dp, sat} (t) \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {d}} ^ {t_ {e}} I_ {dp, sat} (t) \ operatorname {d} t + \ int _ {t_ {e}} ^ {t_ {f}} I_ {dn, sat} (t) \ operatorname {d} t \ right] }

= \ frac {V_ {dd}} {T} \ left [\ int_ {t_a} ^ {t_b} I_ {dn, sat} (t) \ operatorname dt + \ int_ {t_b} ^ {t_c} I_ {dp, sat} (t) \ operatorname dt + \ int_ {t_d} ^ {t_e} I_ {dp, sat} (t) \ operatorname dt + \ int_ {t_e} ^ {t_f} I_ {dn, sat} (t) \ operatorname dt \ right]

Realizarea ipotezei MOS complementare

\beta _{n}=\beta _{p}\

{\ displaystyle \ beta _ {n} = \ beta _ {p} \}

\ beta_n = \ beta_p \

V_{tn}=|V_{tp}|=V_{t}\

{\ displaystyle V_ {tn} = | V_ {tp} | = V_ {t} \}

V_ {tn} = | V_ {tp} | = V_t \

Atunci

I_{dn,sat}=I_{dp,sat}\

{\ displaystyle I_ {dn, sat} = I_ {dp, sat} \}

I_ {dn, sat} = I_ {dp, sat} \

Se obține

\langle P_{d}\rangle ={\frac {4V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}{\frac {\beta _{n}}{2}}(V_{gsn}(t)-V_{tn})^{2}\operatorname {d} t\right]

{\ displaystyle \ langle P_ {d} \ rangle = {\ frac {4V_ {dd}} {T}} \ left [\ int _ {t_ {a}} ^ {t_ {b}} {\ frac {\ beta _ {n}} {2}} (V_ {gsn} (t) -V_ {tn}) ^ {2} \ operatorname {d} t \ right]}

\ langle P_d \ rangle = \ frac {4 V_ {dd}} {T} \ left [\ int_ {t_a} ^ {t_b} \ frac {\ beta_n} {2} (V_ {gsn} (t) - V_ { tn}) ^ 2 \ operatorname dt \ right]

Putem cunoaște extremele integrării prin ecuație

t:t_{r}=V_{i}(t):V_{dd}\

{\ displaystyle t: t_ {r} = V_ {i} (t): V_ {dd} \}

t: t_r = V_i (t): V_ {dd} \

t=t_{r}*{\frac {V_{i}(t)}{V_{dd}}}\

{\ displaystyle t = t_ {r} * {\ frac {V_ {i} (t)} {V_ {dd}}} \}

t = t_r * \ frac {V_i (t)} {V_ {dd}} \

V_{i}(t)=V_{gsn}(t)\

{\ displaystyle V_ {i} (t) = V_ {gsn} (t) \}

V_i (t) = V_ {gsn} (t) \

Înlocuind și rezolvând avem:

\langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}\left[1-{\frac {2V_{tn}}{V_{dd}}}\right]

{\ displaystyle \ langle P_ {d} \ rangle = \ beta * t_ {r} * {\ frac {V_ {dd} ^ {3}} {12T}} \ left [1 - {\ frac {2V_ {tn} } {V_ {dd}}} \ dreapta]}

\ langle P_d \ rangle = \ beta * t_r * \ frac {V_ {dd} ^ 3} {12 T} \ left [1 - \ frac {2V_ {tn}} {V_ {dd}} \ right]

Graficul

V_{o}

{\ displaystyle V_ {o}}

V_o

Și

I_{d}

{\ displaystyle I_ {d}}

I_d

în comparație cu

V_{i}

{\ displaystyle V_ {i}}

Tu

a logicii CMOS

Realizarea ipotezei $V_{dd}>>V_{tn}$ ${\ displaystyle V_ {dd} >> V_ {tn}}$ $V_ {dd} >> V_ {tn}$

\langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}

{\ displaystyle \ langle P_ {d} \ rangle = \ beta * t_ {r} * {\ frac {V_ {dd} ^ {3}} {12T}}}

\ langle P_d \ rangle = \ beta * t_r * \ frac {V_ {dd} ^ 3} {12T}

Notă: Depinde:

liniar de la durata marginii ascendente (sau descendente)
din cubul de tensiune de alimentare
invers din perioada (adică, prin creșterea frecvenței de lucru, puterea disipată crește)

Puterea asociată cu încărcarea / descărcarea condensatorului

De data aceasta să spunem $t_{r}$ ${\ displaystyle t_ {r}}$ $t_r$ Și $t_{f}$ ${\ displaystyle t_ {f}}$ $t_f$ nul astfel încât $P_{cc}=0$ ${\ displaystyle P_ {cc} = 0}$ $P_ {cc} = 0$ și ia în considerare condensatorul parazit. Acum puterea disipată va fi cea utilizată de MOS pentru a încărca și descărca condensatorul.

Putem identifica 3 parametri:

P_{c}

{\ displaystyle P_ {c}}

P_c

= puterea disipată de condensator (într-o perioadă va fi încărcată și descărcată, prin urmare va fi absorbită și transferată aceeași putere; aceasta duce la o putere medie disipată zero

P_{n}=I_{dn}(t)*V_{dsn}(t)

{\ displaystyle P_ {n} = I_ {dn} (t) * V_ {dsn} (t)}

P_n = I_ {dn} (t) * V_ {dsn} (t)

- Puterea disipată de N-MOS pentru a descărca condensatorul

P_{p}=I_{dp}(t)*V_{sdn}(t)

{\ displaystyle P_ {p} = I_ {dp} (t) * V_ {sdn} (t)}

P_p = I_ {dp} (t) * V_ {sdn} (t)

- Puterea disipată de P-MOS pentru a încărca condensatorul

Deci, puterea medie dinamică este

\langle P_{d}\rangle =P_{n}+P_{p}+P_{c}=P_{n}+P_{p}\

{\ displaystyle \ langle P_ {d} \ rangle = P_ {n} + P_ {p} + P_ {c} = P_ {n} + P_ {p} \}

\ langle P_d \ rangle = P_n + P_p + P_c = P_n + P_p \

Notă

^ Sosește un nou tip de senzor CMOS , pe techup.it . Adus la 12 februarie 2016 (arhivat din original la 16 februarie 2016) .

Bibliografie

Howard M. Berlin, Ghid pentru CMOS - Fundamente, circuite și experimente , Jackson Publishing Group, 1980.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține lema dicționarului « CMOS »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe CMOS

linkuri externe

CMOS , în Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene.

Portal electronic	Portal electrotehnic
Portal IT	Portal de știință și tehnologie

[1] Sosește un nou tip de senzor CMOS , pe techup.it . Adus la 12 februarie 2016 (arhivat din original la 16 februarie 2016) .

[1]

V · D · M Componente electronice și electrice
Dispozitiv semiconductor	Circuit integrat · CMOS · Diodă ( avalanșă · DIAC · PIN · Schottky · Varicaps · LED · Triac · Zener ) · dispozitiv multiport · FET · Un fotodetector (SCR) · JFET · memristor · MOSFET ( putere ) · Transistor ( Tiristor · Transistor bipolar de joncțiune (BJT) · Tranzistor Darlington · tranzistor bipolar cu poartă izolată · Unistor de tranzistor
Regulator de voltaj	Convertor Boost · dolar Convertor · convertor Buck-boost · Convertor Cuk · Convertor Sepic · pompa de încărcare · regulator liniar
Tub de vid	Fotomultiplicator · Tub Foto · Gyrotron · clistron · magnetron · Maser · Nuvistor · tetroda · Călătorind tub val · tub Williams
Tub cu raze catodice (CRT)	Iconoscop · Monoscopio · Magic Eye · Cameră tub
Conductă de gaz plină	Cu catod rece lămpi fluorescente (CCFL) · Crossatron · Dekatron · GM · ignitrons · krytron · Lampa neon · Nixie · Rectifier mercur · tiratronice · Trigatron
Dispozitiv pasiv	Conectori (conector electric · Conectori RF ) · Cablu electric · Sârmă · Întrerupător de circuit · întrerupător · Potențiometru · Rezistor · termistor · Transformator · Varistor
Reactanţă	Condensator · Inductor · Comutator cu mercur · Oscilator de cristal · Releu