Что хорошего в CMOS?

Я прочитал много тем здесь. Я читал, что некоторые люди говорят, что я предпочитаю «иметь характеристики CMOS» и т. Д., Также в некоторых таблицах данных (например, AVR), они говорят, что у них есть характеристики CMOS и т. Д. Я помню одно слово «CMOS-совместимый»?

Так почему наличие «характеристик CMOS» заставляет людей гордиться?

КМОП (комплементарный металлоксидный полупроводник) логика имеет ряд желательных характеристик:

1. Высокий входной импеданс. Входной сигнал приводит электроды со слоем изоляции (оксид металла) между ними и тем, что они контролируют. Это дает им небольшую емкость, но практически бесконечное сопротивление. Ток на входе или выходе CMOS, удерживаемом на одном уровне, является просто утечкой, обычно 1 мкА или меньше.

2. Выходы активно работают в обоих направлениях.

3. Выходы в значительной степени от железной дороги к железной дороге.

4. КМОП-логика потребляет очень мало энергии при фиксированном состоянии. Потребление тока происходит от переключения, когда эти конденсаторы заряжены и разряжены. Даже в этом случае он имеет хорошее соотношение скорости и мощности по сравнению с другими типами логики.

5. КМОП ворота очень просты. Основным затвором является инвертор, в котором всего два транзистора. Это вместе с низким энергопотреблением означает, что оно хорошо поддается плотной интеграции. Или наоборот, вы получаете много логики для размера, стоимости и мощности.

Это относится к тому, как ворота построены на IC. CMOS расшифровывается как Complementary MOS (металлооксидный полупроводник), который использует PMOS и NMOS (то есть комплементарный) для построения логики.
CMOS быстр, имеет большой разветвитель и использует меньше энергии, чем другие технологии.

Другими семействами являются TTL (транзисторно-транзисторная логика, NPN / PNP все еще используется), ECL (логика с эмиттерной связью - быстрая, но потребляет много энергии - все еще используется в различных формах) DTL (диодно-транзисторная логика - старая) и RTL (резисторный транзистор логика (старше)

«CMOS-совместимый» или «TTL-совместимый» часто используется для описания уровней напряжения, требуемых для логики 1 и 0.

Оли и Олин объяснили сильные стороны CMOS, но позвольте мне сделать шаг назад.

TL: DR: дополнительная логика допускает колебание выходного напряжения от шины к шине, а транзисторы MOSFET являются очень масштабируемой технологией (миллиарды транзисторов могут быть получены на небольшой поверхности) с некоторыми очень полезными свойствами (по сравнению с BJT).

Почему CMOS?

Потребность в дополнительных воротах обусловлена ​​тем фактом, что простейшая концепция ворот основана на идее подтягивания и опускания; это означает, что есть устройство (транзистор или набор транзисторов), которое повышает выходной сигнал (до «1»), и другое устройство, которое понижает его (до «0»).

$V_{GS}>V_T>0.7V$

Так дополняют («C» в CMOS), потому что вы используете два устройства, которые ведут себя противоположным образом и, таким образом, дополняют друг друга. Затем логика инвертируется, потому что nMOS (который понижается) требует высокого входного напряжения ('1') для включения, а pMOS требует низкого напряжения ('0').

Но почему MOS хорош?

И некоторые дополнительные сведения: как сказал Олин, главная причина распространения технологии MOSFET заключается в том, что это плоское устройство, что означает, что его можно изготовить на поверхности полупроводника.

Это потому, что, как вы можете видеть на рисунке, построение MOSFET (это n-канал, p-канал в той же подложке требует дополнительной легированной области, называемой n-ямой) в основном состоит в легировании двух n + областей и сдача ворот и контактов (очень очень упрощенно).

BJT-транзисторы сегодня также изготавливаются по технологии, подобной MOS, что означает «травление» на поверхности, но в основном они состоят из трех слоев полупроводника, по-разному легированных, поэтому они в первую очередь предназначены для дискретных технологий. Фактически, способ, которым они теперь построены, создает эти три слоя на разных глубинах в кремнии, и (просто чтобы дать представление), в недавней технологии они занимают площадь в квадрате порядка микрометра или около того, в то время как МОП-транзисторы могут быть встроенная технология <20 нм (регулярно обновляйте это значение), с общей площадью, которая может быть порядка менее 100 нм². (картинка справа)

Таким образом, вы можете видеть, что, в дополнение к другим свойствам, MOSFET-транзистор намного лучше подходит (в современной технологии) для достижения интеграции очень большого масштаба, или VLSI.

В любом случае, биполярные транзисторы по-прежнему широко используются в аналоговой электронике из-за их лучших свойств линейности. Кроме того, BJT быстрее, чем полевой МОП-транзистор, построенный по той же технологии (подразумевается как размеры транзистора).

CMOS против MOS

Обратите внимание, что CMOS не эквивалентен MOS: поскольку C предназначен для «дополняющего», это особая (даже если широко используемая) конфигурация для затворов MOS, в то время как высокоскоростные схемы часто используют динамическую логику, которая направлена ​​на снижение входной емкости ворота. Фактически, попытка довести технологию до предела, наличие двух входных емкостей (как у CMOS) на входе является причиной потери производительности. Можно сказать, что достаточно увеличить ток, подаваемый на предыдущем этапе, но, например, для 2-кратной скорости зарядки требуется 2-кратный зарядный ток, что означает 2-кратную проводимость, которая достигается при 2-кратной ширине канала, и, что удивительно, удваивает входная емкость.

Другие топологии, такие как логика пассивного транзистора, могут упростить структуру определенных затворов и иногда достичь более высокой скорости.

Об интерфейсах

При изменении темы, когда речь идет о микроконтроллерах и интерфейсах, важно помнить, что высокий входной импеданс вентилей CMOS делает очень важным, чтобы контакты ввода / вывода никогда не оставались плавающими (если они имеют защиту, это обеспечивается внутри), так как их Ворота могут подвергаться внешнему шуму и принимать непредсказуемые значения (с возможной фиксацией и повреждением). Заявление о том, что устройство имеет характеристики CMOS, также должно сообщить вам об этом.

Если вы знаете альтернативы, которые существовали до появления CMOS или до того, как CMOS был достаточно быстрым, чтобы конкурировать, вы бы поняли, что это отличная технология.

Альтернативами были TTL, LS-TTL, P- или NMOS.

Без низкого энергопотребления технологии CMOS ни один из существующих микропроцессоров не был даже близок к практическому использованию.

Сегодняшние КМОП-микропроцессоры имеют удельную мощность (рассеиваемую мощность на площадь чипа), которая аналогична плотности плиты для приготовления пищи. Представьте, что удельная мощность альтернативных технологий будет в 100 или 1000 раз выше.

Просто чтобы добавить к тому, что другие уже ответили, одна из причин, по которой производитель микросхем будет рекламировать свою часть, является CMOS-совместимой или имеет фактические выходы CMOS, это означает, что вы можете использовать их чип со всеми другими CMOS и CMOS- совместимые чипы.

Например, если у вас есть микроконтроллер или FPGA с выводами ввода / вывода CMOS, то вы можете использовать его с чипами склеивания логики CMOS, или EEPROM CMOS, или АЦП CMOS. Использование всех этих частей в стандартизированном интерфейсе означает, что вы (в основном) знаете, что можете соединить их все друг с другом, и они будут работать.

CMOS относится к технологии для создания интегральных микросхем (поэтому она не относится к пассивным устройствам, таким как резисторы). Существуют и другие технологии , такие как TTL и NMOS.

Большим преимуществом CMOS является то, что он потребляет меньше энергии, чем другие технологии. КМОП-конструкции имеют практически нулевое статическое энергопотребление. Только во время переходов CMOS потребляет немалое количество энергии, но даже в этом случае он все еще чрезвычайно мал, поскольку CMOS переключается быстро , порядка пикосекунд для самых быстрых практических проектов. (Именно поэтому микроконтроллеры потребляют больше энергии на более высоких тактовых частотах, поскольку более высокие частоты означают более частые переходы.)

Все это означает меньшую потерю тепла и более плотные интегральные схемы (то есть меньшие следы IC для той же функции). Если ваше устройство работает от батарей большую часть времени или должно быть как можно меньше (например, смартфоны), это огромный выигрыш.

По сути, мы классифицируем семейства логики в ДВУХ типах 1) Семейства униполярной логики 2) Семейства биполярных логик IC этого семейства построены с использованием униполярного устройства, такого как MOSFET. Поэтому его также называют имеет семейство логики mos ex 1) PMOS 2) NMOS 3) CMOS