Skaitmeninės elektronikos raidą formavo papildomos metalo-oksido semiklaidžių (CMOS) technologijos kūrimas.Atsiradus reaguojant į greitesnio apdorojimo greičio poreikį ir efektyvesnį energijos suvartojimą, CMOS technologija sukėlė revoliuciją grandinės projektavimui, naudodama savo novatorišką požiūrį į galios valdymą ir signalo vientisumą.Skirtingai nuo bipolinių jungčių tranzistorių (BJT) įtaisų, kurie priklauso nuo srovės srauto, CMOS įtaisai naudoja įtampos kontroliuojamus mechanizmus, kurie žymiai sumažina vartų srovę ir taip sumažina galios praradimą.Ši technologija pirmiausia įgavo trauką vartotojiškoje elektronikoje aštuntajame dešimtmetyje, pavyzdžiui, elektroniniuose laikrodžiuose, tačiau devintajame dešimtmetyje tai buvo labai didelės masto integracijos (VLSI) atsiradimas, kuris iš tikrųjų sustiprino CMO kaip kertinio akmens poziciją šiuolaikinėje elektronikoje.ERA buvo CMOS technologijos, gerinančios grandinės patikimumą, atsparumą triukšmui, ir našumas įvairiose temperatūrose ir įtampose, tuo pačiu supaprastinant bendrą projektavimo procesą.Šie patobulinimai ne tik padidino tranzistoriaus skaičių nuo tūkstančių iki milijonų vienos lusto, bet ir išplėtė CMO funkcionalumą tiek skaitmeniniam, tiek mišrių signalų VLSI dizainui, dėl savo viršutinio greičio irMažesnės įtampos operacijos.
Papildomos metalo-oksido-semiklaidžių (CMOS) technologijos kūrimas turėjo didžiulę dalį skaitmeninės grandinės projektavimo tobulinimo.Tai daugiausia atsirado dėl to, kad reikia greitesnio apdorojimo ir mažesnės energijos suvartojimo.Skirtingai nuo bipolinių jungčių tranzistoriaus (BJT) įtaisų, kurie priklauso nuo srovės srauto, CMOS naudoja įtampos kontroliuojamus mechanizmus.Pagrindinis skirtumas padeda sumažinti srovę prie vartų, žymiai sumažinant galios nuostolius.Aštuntajame dešimtmetyje CMO daugiausia buvo naudojamos vartojimo elektronikoje, tokiose kaip elektroniniai laikrodžiai.
Peizažas pasikeitė devintajame dešimtmetyje, atsiradus labai didelės masto integracijos (VLSI) technologijai, kuri dėl kelių priežasčių labai priėmė CMO.CMOS naudoja mažiau galios, siūlo geresnį atsparumą triukšmui ir gerai veikia įvairiose temperatūrose ir įtampose.Tai taip pat supaprastina grandinės dizainą, kuris padidina patikimumą ir lankstumą.Šios savybės leido labai padidinti CMOS pagrįstų lustų integracijos tankį, pereinant nuo tūkstančių iki milijonų tranzistorių kiekvienoje lustą.
Šiandien CMOS yra naudingos tiek skaitmeniniams, tiek mišriems signalo VLSI dizainams, pralenkdamos senesnes technologijas, tokias kaip tranzistoriaus tranzistoriaus logika (TTL) dėl savo viršutinio greičio ir efektyvumo esant mažesnei įtampai.Plačiai paplitęs naudojimas pabrėžia CMOS transformacinį poveikį šiuolaikinei elektronikai, todėl tai yra visko, pradedant nuo kasdienių įtaisų iki pažangių skaičiavimo sistemų, technologija.
1 paveikslas: Naudokite elektrinių charakteristikų pusiausvyrą
Pagrindinis papildomo metalo-oksido-semiklaidininko (CMOS) technologijos principas naudoja N tipo ir P tipo tranzistorių porą, kad sukurtų efektyvias logines grandines.Vienas įvesties signalas kontroliuoja šių tranzistorių perjungimo elgseną, įjungdamas vieną, išjungdamas kitą.Šis dizainas pašalina tradicinių traukimo rezistorių, naudojamų kitose puslaidininkių technologijose, poreikį, supaprastina dizainą ir pagerina energijos vartojimo efektyvumą.
CMOS sąrankoje N tipo MOSFET (metalo oksido-semiklaidžių lauko efektų tranzistoriai) sudaro išskleidžiamąjį tinklą, jungiantį loginių vartų išėjimą prie mažos įtampos tiekimo, paprastai žemės (VSS).Tai pakeičia apkrovos rezistorius senesnėse NMOS loginėse grandinėse, kurios buvo mažiau veiksmingos valdant įtampos perėjimus ir labiau linkę į galios nuostolius.Priešingai, „P-Type Mosfets“ sukuria traukimo tinklą, jungiantį išvestį su didesne įtampos tiekimu (VDD).Šis dvigubo tinklo išdėstymas užtikrina, kad išvestis būtų kontroliuojama stabiliai ir nuspėjamai bet kuriam įvestims.
Kai suaktyvinami p tipo MOSFET vartai, jis įjungiamas, kol atitinkamas N tipo MOSFET išjungia, ir atvirkščiai.Ši sąveika ne tik supaprastina grandinės architektūrą, bet ir padidina įrenginio veikimo patikimumą ir funkcionalumą.CMOS technologija yra naudinga vartotojams, kuriems reikia patikimų ir efektyvių elektroninių sistemų.
2 paveikslas: Įvadas į „CMOS Tech“
Inverteris yra pagrindinis skaitmeninės grandinės projektavimo elementas, ypač atliekant dvejetaines aritmetines ir logines operacijas.Pagrindinė funkcija yra pakeisti įvesties signalą dvejetainių loginių lygių lygiuose.Paprastai tariant, „0“ laikomas žemu arba nuliniu voltų, o „1“ yra aukštas arba V voltas.Kai keitiklis gauna 0 voltų įvestį, jis išveda V voltus, o kai jis gauna V voltus, jis išveda 0 voltų.
Tiesos lentelė paprastai parodo keitiklio funkciją išvardama visus įmanomus įvestis ir jų atitinkamus išėjimus.Ši lentelė aiškiai parodo, kad „0“ įvestis sukuria „1“ išvestį, o „1“ įvestis lemia „0“ išvestį.Šis inversijos procesas reikalingas loginiams sprendimams ir duomenų apdorojimui skaičiavimo ir skaitmeninėse sistemose.
Inverterio veikimas reikalingas sudėtingesnei skaitmeninei sąveikai.Tai leidžia sklandžiai vykdyti aukštesnio lygio skaičiavimo užduotis ir padeda efektyviai valdyti duomenų srautą grandinėse.
Įvestis |
Išvestis |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 lentelė: Inverterio tiesos lentelė
CMOS keitiklis yra elektronikos efektyvumo modelis, pasižymintis paprastu dizainu su NMOS ir PMOS tranzistoriais, sujungtais iš nuosekliai.Jų vartai yra surišti kaip įvestis, o jų kanalizacijos yra sujungtos, kad būtų išėjimas.Šis išdėstymas sumažina galios išsklaidymą, optimizuodama grandinę energijos vartojimui.
Kai įvesties signalas yra aukštas (logika „1“), NMOS tranzistorius įsijungia, diriguodamas srovę ir išveždamas išėjimą į žemą būseną (logika „0“).Tuo pačiu metu PMOS tranzistorius yra išjungtas, izoliuodamas teigiamą pasiūlą nuo išvesties.Ir atvirkščiai, kai įvestis yra žemas (logika „0“), NMOS tranzistorius išsijungia, o PMOS tranzistorius įsijungia, todėl išvestis nukreipia į aukštą būseną (logika „1“).
Ši NMOS ir PMOS tranzistorių koordinacija leidžia keitikliui išlaikyti stabilų išėjimą, nepaisant įvesties įtampos v ariat jonų.Užtikrindamas, kad vienas tranzistorius visada būtų išjungtas, kol kitas įjungtas, CMOS keitiklis išsaugo galią ir apsaugo nuo tiesioginio elektrinio kelio nuo maitinimo šaltinio į žemę.Tai padės išvengti nereikalingo energijos nutekėjimo.Ši dvigubo transistento sąranka apibrėžia pagrindinį CMOS keitiklio vaidmenį skaitmeninėje grandinėje, užtikrinant patikimą loginį inversiją su minimalia energijos suvartojimu ir dideliu signalo vientisumu.
3 paveikslas: CMOS loginiai vartai
NMOS keitiklis sukurtas naudojant tiesmukišką ir efektyvią sąranką.Šioje konfigūracijoje vartai tarnauja kaip įvestis, kanalizacija veikia kaip išvestis, o šaltinis ir substratas yra įžeminti.Šio išdėstymo esmė yra patobulinimo tipo N-kanalo MOSFET.Teigiama įtampa naudojama kanalizacijai per apkrovos rezistorių, kad būtų nustatytas tinkamas poslinkis.
Kai vartų įvestis yra įžeminta, vaizduojanti logiką „0“, prie vartų nėra įtampos.Šis įtampos trūkumas neleidžia laidžiam kanalui susidaryti MOSFET, todėl tai yra atvira grandinė, turinti didelį pasipriešinimą.Dėl to minimali srovė teka iš kanalizacijos į šaltinį, todėl išėjimo įtampa pakyla arti +V, o tai atitinka logiką „1“.Kai ant vartų taikoma teigiama įtampa, ji pritraukia elektronus prie vartų oksido sąsajos, sudarydamas N tipo kanalą.Šis kanalas sumažina šaltinio ir kanalizacijos pasipriešinimą, leisdamas srovei tekėti ir numesti išėjimo įtampą iki beveik žemės lygio arba logikos „0“.
Ši operacija rodo NMOS keitiklį kaip veiksmingą išskleidžiamąjį įrenginį, naudingą dvejetainiam perjungimo užduotims.Naudinga pripažinti, kad ši sąranka paprastai sunaudoja daugiau galios, kai yra „įjungta“ būsenoje.Padidėjęs energijos suvartojimas atsiranda dėl nuolatinės srovės, tekančios iš maitinimo šaltinio į žemę, kai aktyvus tranzistorius, pabrėžiant pagrindinį NMOS keitiklio konstrukcijos veikimo kompromisą.
4 paveikslas: CMOS ICS pagrindai
PMOS keitiklis yra struktūrizuotas panašiai kaip NMOS keitiklis, tačiau su atvirkštinėmis elektrinėmis jungtimis.Šioje sąrankoje naudojamas PMOS tranzistorius su teigiama įtampa, taikoma tiek substrate, tiek šaltiniui, o apkrovos rezistorius yra prijungtas prie žemės.
Kai įvesties įtampa yra aukšta +V (logika „1“), nuo vartų iki šaltinio įtampa tampa lygi nuliui, išjungiant tranzistorių „išjungti“.Tai sukuria didelį pasipriešinimo kelią tarp šaltinio ir nutekėjimo, išlaikant žemą išėjimo įtampą, esant logikai „0“.
Kai įvestis yra 0 voltų (logika „0“), vartų iki šaltinio įtampa tampa neigiama, palyginti su šaltiniu.Ši neigiama įtampa įkrauna vartų kondensatorių, apverčiant puslaidininkio paviršių nuo N tipo iki P tipo ir sudarydamas laidų kanalą.Šis kanalas drastiškai sumažina šaltinio ir kanalizacijos pasipriešinimą, leisdamas srovei laisvai tekėti iš šaltinio į kanalizaciją.Dėl to išėjimo įtampa kyla arti tiekimo įtampos +V, atitinkanti logiką „1“.
Tokiu būdu PMOS tranzistorius veikia kaip ištraukimo įtaisas, kuris, kai įjungiama, yra mažo pasipriešinimo kelias į teigiamą tiekimo įtampą.Tai daro „PMOS“ keitiklį pagrindiniu komponentu kuriant stabilią ir patikimą logikos inversiją.Tai užtikrina, kad prireikus išėjimas yra stipriai nukreiptas į aukštą būseną.
5 paveikslas: CMOS vartų skerspjūvis
CMOS lustas sujungia NMOS ir PMOS tranzistorius ant vieno silicio substrato, sudarydamas kompaktišką ir efektyvią keitiklio grandinę.Peržiūrint šios sąrankos skerspjūvį parodytas šių tranzistorių strateginis išdėstymas, optimizuojant funkcionalumą ir sumažinant elektrinius trukdžius.
PMOS tranzistorius yra įterptas į N tipo substratą, o NMOS tranzistorius dedamas į atskirą P tipo sritį, vadinamą P-Well.Šis išdėstymas užtikrina, kad kiekvienas tranzistorius veiktų optimaliomis sąlygomis.P-šulinys veikia kaip NMOS tranzistoriaus veikimo vieta ir išskiria NMOS ir PMOS tranzistorių elektrinius kelius, užkertant kelią trukdžiams.Ši izoliacija yra naudinga norint išlaikyti signalo vientisumą ir bendrą CMOS grandinės veikimą.
Ši konfigūracija leidžia lustui greitai ir patikimai perjungti aukštą ir žemą logikos būseną.Integruojant abiejų tipų tranzistorius į vieną bloką, CMOS dizainas subalansuoja jų elektros charakteristikas, sukeldamas stabilesnes ir efektyvesnes grandinės operacijas.Ši integracija sumažina dydį ir pagerina šiuolaikinių elektroninių prietaisų našumą, parodydama pažangų inžineriją už CMOS technologiją.
Pagrindinis CMOS technologijos bruožas yra jos efektyvumas energijos išsisklaidymui, ypač statinėse ar tuščiosios eigos būsenose.Kai neaktyvus, CMOS keitiklis paima labai mažai galios, nes „išjungtas“ tranzistorius nutekėja tik minimalią srovę.Šis efektyvumas yra naudingas norint išlaikyti energijos atliekas ir prailginti nešiojamų prietaisų akumuliatoriaus veikimo laiką.
6 paveikslas: CMOS jutikliai- pramoninėms kameroms
Dinaminio veikimo metu, kai keitiklis perjungia teiginius, laikinai didėja galios išsklaidymas.Šis smaigalys įvyksta todėl, kad trumpą akimirką tiek NMOS, tiek PMOS tranzistoriai iš dalies įjungiami, sukuriant trumpalaikį tiesioginį kelią srovės srautui iš tiekimo įtampos į žemę.Nepaisant šio trumpalaikio padidėjimo, bendras CMOS keitiklio energijos suvartojimas išlieka daug mažesnis nei senesnių technologijų, tokių kaip tranzistoriaus tranzistoriaus logika (TTL).
Šis nuolatinis mažos galios naudojimas įvairiuose eksploatavimo režimuose padidina CMOS grandinių energijos efektyvumą.Todėl jis yra idealus programoms, kuriose energijos prieinamumas yra ribotas, pavyzdžiui, mobilieji įrenginiai ir kitos akumuliatorių varomos technologijos.
CMOS keitiklių mažos pastovios būsenos galios brėžinys sukuria mažiau šilumos, o tai sumažina įrenginio komponentų šiluminį įtempį.Ši sumažinta šilumos generacija gali pratęsti elektroninių prietaisų gyvenimo trukmę, todėl CMOS technologija yra pagrindinis veiksnys kuriant tvaresnes ir ekonomiškesnes elektronines sistemas.
7 paveikslas: Optimizuokite galios ir greičio efektyvumo grandines
CMOS keitiklio nuolatinės įtampos perdavimo charakteristika (VTC) yra pagrindinė priemonė suprasti jo elgesį.Tai parodo ryšį tarp įvesties ir išvesties įtampos statinėmis (nejungiančiomis) sąlygomis, pateikdamas aiškų vaizdą apie keitiklio našumą skirtinguose įvesties lygiuose.
Gerai suprojektuotame CMOS keitiklyje, kur NMOS ir PMOS tranzistoriai yra subalansuoti, VTC yra beveik idealus.Jis yra simetriškas ir staigiai pereina tarp aukštos ir žemos išėjimo įtampos esant tam tikros įvesties įtampos slenksčiui.Ši slenkstis yra taškas, kai keitiklis pereina iš vienos loginės būsenos į kitą, greitai keičiasi iš logikos „1“ į „0“ ir atvirkščiai.
VTC tikslumas yra naudingas norint nustatyti skaitmeninių grandinių veikimo įtampos diapazonus.Tai nustato tikslus taškus, kai išvestis pakeis būsenas, užtikrinant, kad loginiai signalai yra aiškūs ir nuoseklūs, ir sumažins klaidų riziką dėl V ariat jonų įtampos.
CMOS technologija siūlo mažai statinės energijos suvartojimo.Kad tai būtų naudingesnė elektroninėms programoms, ypač akumuliatoriais varomiems įrenginiams, nes jis naudoja energiją tik atliekant logines būsenos operacijas.
CMOS grandinių dizainas iš esmės supaprastina sudėtingumą, leidžiantį kompaktišką, didelio tankio loginių funkcijų išdėstymą viename luste.Ši funkcija reikalinga norint patobulinti mikroprocesorius ir atminties lustus, pagerinant veiklos galimybes, neišplečiant fizinio silicio dydžio.Šis tankio pranašumas suteikia daugiau apdorojimo galios teritorijai, palengvinant technologijos miniatiūrizacijos ir sistemos integracijos pažangą.
Didelio „CMOS Technology“ imunitetas triukšmo sumažina trukdžius, užtikrinančius stabilų ir patikimą CMOS pagrįstų sistemų veikimą elektroninėje triukšmo linkme.Mažos energijos suvartojimo, sumažėjusio sudėtingumo ir tvirto triukšmo imuniteto derinys sustiprina CMO kaip pagrindinę elektronikos technologiją.Tai palaiko daugybę programų, pradedant paprastomis grandinėmis ir baigiant sudėtingomis skaitmeninės skaičiavimo architektūromis.
8 paveikslas: CMOS technologijos diagrama
„CMOS Technology“ yra kertinis šiuolaikinio skaitmeninio grandinės dizaino akmuo, naudojantis tiek NMOS, tiek PMOS tranzistoriais ant vieno lusto.Šis dvigubo tranzistoriaus požiūris padidina efektyvumą perjungdamas ir sumažina energijos suvartojimą, o tai yra naudinga šiandieniniame energijos sąmoningame pasaulyje.
CMOS grandinių stiprumas kyla dėl jų mažos galios reikalavimų ir puikaus imuniteto triukšmo.Šie bruožai yra naudingi norint sukurti patikimą ir sudėtingą skaitmeninę integruotą grandinę.CMOS technologija veiksmingai atspindi elektros trukdžius, pagerindama elektroninių sistemų stabilumą ir našumą.
CMOS maža statinė energijos suvartojimas ir patikimas veikimas daro jį pageidaujamu pasirinkimu daugeliui programų.Nuo vartojimo elektronikos iki aukščiausios klasės skaičiavimo sistemų, „CMOS Technology“ pritaikomumas ir efektyvumas ir toliau skatina inovacijas elektronikos pramonėje.Plačiai paplitęs naudojimas pabrėžia jo svarbą tobulinant skaitmenines technologijas.
CMOS technologija yra skaitmeninės grandinės projektavimo srityje kaip naujovių pavyzdys, nuolat skatinantis elektronikos pažangą nuo pagrindinių įtaisų į sudėtingas skaičiavimo sistemas.Dviejų tranzistorių NMO ir PMOS sąranka ant vieno lusto leido efektyviai perjungti, minimaliai išsklaidyti galią ir didelį triukšmo imuniteto laipsnį, todėl CMO yra naudingi kuriant tankius, integruotas grandines.Sumažinus energijos suvartojimą neprarandant našumo, buvo įrodyta nešiojamųjų, akumuliatorių maitinamų įrenginių eroje.CMOS technologijos patikimumas tvarkant įvairias veiklos ir aplinkos sąlygas išplėtė jos pritaikymą daugelyje sričių.Toliau tobulėjant, CMOS technologija gali padėti formuoti būsimą elektroninio dizaino kraštovaizdį.Tai užtikrina, kad t liks technologinių naujovių priešakyje ir toliau tenkina didėjančius energijos vartojimo efektyvumo ir miniatiūrizavimo poreikius elektroniniuose prietaisuose.
Papildoma metalo oksido-semiklaidininko (CMOS) technologija yra pagrindinėje skaitmeninėje elektronikoje, pirmiausia todėl, kad ji efektyviai kontroliuoja elektros srautą įrenginiuose.Praktiškai CMOS grandinėje yra dviejų tipų tranzistoriai: NMO ir PMOS.Jie yra išdėstyti siekiant užtikrinti, kad tik vienas iš tranzistorių elgiasi vienu metu, o tai drastiškai sumažina grandinės sunaudotą energiją.
Kai veikia CMOS grandinė, vienas tranzistorius blokuoja srovę, o kitas leidžia jai praeiti.Pvz., Jei skaitmeninis „1“ (aukštos įtampos) signalas įvedamas į CMOS keitiklį, NMOS tranzistorius įsijungia (elgesiai), o PMOS įsijungia (blokuoja srovę), todėl maža įtampa arba '0'Išėjimo metu.Ir atvirkščiai, „0“ įvestis suaktyvina PMOS ir išjungia NMO, todėl gaunamas didelis išėjimas.Šis perjungimas užtikrina iššvaistytą minimalią galią, todėl CMO yra idealūs tokiems įrenginiams kaip išmanieji telefonai ir kompiuteriai, kur reikalingas akumuliatoriaus efektyvumas.
MOSFET (metalo oksido-semiklaidinio lauko efekto tranzistoriaus) yra tranzistoriaus rūšis, naudojama elektroniniams signalams perjungti.Kita vertus, CMOS nurodo technologiją, kuri naudoja du papildomus MOSFET tipus (NMO ir PMOS), kad būtų sukurtos skaitmeninės loginės grandinės.
Pagrindinis skirtumas yra jų taikymas ir efektyvumas.Vienas MOSFET gali veikti kaip jungiklis arba sustiprina signalus, reikalaujančius nuolatinio galios srauto ir galimai generuoti daugiau šilumos.CMOS, integruodami tiek NMOS, tiek PMOS tranzistorius, pakaitomis naudoja vieną ar kitą, sumažinant reikiamą galią ir sukuriamą šilumą.Dėl to CMO yra tinkamesni moderniems elektroniniams prietaisams, kuriems reikalingas didelis efektyvumas ir kompaktiškumas.
CMO išvalymas kompiuteryje iš naujo nustato BIOS (pagrindinės įvesties/išvesties sistemos) nustatymus pagal savo gamyklos numatytuosius nustatymus.Tai dažnai daroma atsižvelgiant į trikčių šalinimo aparatūros ar įkrovos problemas, kurios gali kilti dėl neteisingų ar sugadintų BIOS nustatymų.
Norėdami išvalyti CMO, paprastai trumpai trumpai naudojate pagrindinę plokštę, naudodamiesi megztiniu, arba keletą minučių išimkite CMOS akumuliatorių.Šis veiksmas praplauna nepastovią atmintį BIOS, panaikindama visas konfigūracijas, tokias kaip įkrovos tvarka, sistemos laikas ir aparatinės įrangos parametrai.Išvalę CMO, gali tekti iš naujo sukonfigūruoti BIOS nustatymus pagal jūsų skaičiavimo poreikius ar aparatūros suderinamumą.
Nors CMOS technologija vis dar yra paplitusi, vykdomuose tyrimuose siekiama sukurti alternatyvas, kurios galėtų pasiūlyti didesnį efektyvumą, greitį ir integraciją, nes technologijos didėja toliau.
Grafeno tranzistoriai tiriami dėl jų išskirtinių elektrinių savybių, tokių kaip didesnis elektronų mobilumas nei silicis, o tai gali sukelti greitesnį apdorojimo greitį.
Naudojami kvantiniai bitai, kurie vienu metu gali egzistuoti keliose būsenose, siūlant eksponentinio greičio padidėjimą konkrečiems skaičiavimams.
„Spintronics“: naudoja elektronų sukimąsi, o ne jų įkrovą, kad koduotų duomenis, potencialiai sumažindama energijos suvartojimą ir padidina duomenų apdorojimo galimybes.
Nors šios technologijos yra daug žadančios, pereinant nuo CMO prie naujo skaitmeninės elektronikos standarto, reikės įveikti techninius iššūkius ir dideles investicijas į naujas gamybos technologijas.Šiuo metu CMO išlieka praktiškiausia ir plačiausiai naudojama technologija skaitmeninės grandinės dizaine dėl jos patikimumo ir ekonominio efektyvumo.
2024-07-09
2024-07-09
El. Paštas: Info@ariat-tech.comHK TEL: +00 852-30501966PAPILDYTI: Rm 2703 27F Ho King susisiekimo centras 2-16,
Fa Yuen St MongKok Kowloon, Honkongas.