Una introducció a la tecnologia CMOS
2024-07-09 6631

L’evolució de l’electrònica digital s’ha configurat pel desenvolupament de la tecnologia complementària d’òxid-òxid-semiconductor (CMOS).Emergent en resposta a la necessitat de velocitats de processament més ràpides i consum d’energia més eficient, la tecnologia CMOS ha revolucionat el disseny de circuits amb el seu enfocament innovador per gestionar la potència i la integritat del senyal.A diferència dels dispositius del transistor de la unió bipolar (BJT), que depenen del flux de corrent, els dispositius CMOS utilitzen mecanismes controlats per tensió que redueixen significativament el corrent de la porta, minimitzant així la pèrdua de potència.Aquesta tecnologia va guanyar per primera vegada la tracció en l'electrònica de consum a la dècada de 1970, com en els rellotges electrònics, però va ser l'arribada d'una integració a gran escala (VLSI) a la dècada de 1980 que va cimentar veritablement la posició de les CMO com a pedra angular en l'electrònica moderna.L’ERA va ser testimoni de la tecnologia CMOS que millora la fiabilitat del circuit, la resistència al soroll i el rendiment a través de diferents temperatures i tensions alhora que simplifica el procés de disseny general.Aquestes millores no només van augmentar el recompte de transistors de milers a milions en un sol xip, sinó que també van ampliar la funcionalitat de les CMOs a dissenys VLSI digitals i de senyal mixt, superant les tecnologies més antigues com la lògica del transistor-transistor (TTL) a causa de la seva velocitat i velocitat superiors i i superiorsOperacions de tensió inferior.

Catàleg

Comprensió de la tecnologia CMOS

El desenvolupament de la tecnologia complementària de metall-semiconductor-semiconductor (CMOS) ha estat una part important en l’avanç del disseny del circuit digital.Va sorgir principalment a causa de la necessitat de processament més ràpid i un menor consum d'energia.A diferència dels dispositius del transistor de la unió bipolar (BJT), que depenen del flux de corrent, CMOS utilitza mecanismes controlats per la tensió.La diferència principal ajuda a reduir el corrent a la porta, reduint significativament la pèrdua de potència.A la dècada de 1970, els CMO es van utilitzar principalment en electrònica de consum, com els rellotges electrònics.

El paisatge va canviar a la dècada de 1980 amb l’arribada de la tecnologia d’integració molt gran (VLSI), que va adoptar fortament els CMO per diverses raons.CMOS utilitza menys potència, ofereix una millor resistència al soroll i funciona bé a diverses temperatures i tensions.També simplifica el disseny del circuit que augmenta la fiabilitat i la flexibilitat.Aquestes característiques van permetre un gran augment de la densitat d’integració dels xips basats en CMOS, passant de milers a milions de transistors per xip.

Avui en dia, CMOS és útil tant per a dissenys VLSI digitals com de senyal mixt, superant tecnologies més antigues com la lògica del transistor-transistor (TTL) a causa de la seva velocitat i eficiència superiors a tensions més baixes.El seu ús generalitzat destaca l’impacte transformador de CMOS en l’electrònica moderna, convertint-la en la tecnologia de tot allò des de gadgets quotidians fins a sistemes computacionals avançats.

Figura 1: Ús per equilibrar les característiques elèctriques

Principi de treball de les CMOs

El principi fonamental de la tecnologia complementària de metall-semiconductor (CMOS) utilitza un parell de transistors tipus N i de tipus P per crear circuits lògics eficients.Un únic senyal d’entrada controla el comportament de commutació d’aquests transistors, engegant -ne un mentre s’apaga l’altra.Aquest disseny elimina la necessitat de resistències tradicionals de tirada utilitzades en altres tecnologies de semiconductors, simplificant el disseny i millorant l'eficiència energètica.

En una configuració de CMOS, els MOSFET de tipus N (transistors d'efecte de camp d'òxid metall) formen una xarxa desplegable que connecta la sortida de la porta lògica a un subministrament de baixa tensió, normalment a terra (VSS).Això substitueix les resistències de càrrega en circuits lògics NMOS més antics, que eren menys efectius per gestionar les transicions de tensió i més propensos a la pèrdua de potència.Per contra, els MOSFET de tipus P creen una xarxa de desplegament que connecta la sortida a un subministrament de tensió superior (VDD).Aquest acord de doble xarxa garanteix que la sortida es controla de manera estable i previsible per a qualsevol entrada determinada.

Quan s’activa la porta d’un tipus P MOSFET, s’encén mentre el MOSFET N corresponent s’apaga i viceversa.Aquesta interacció no només simplifica l'arquitectura del circuit, sinó que també millora la fiabilitat i la funcionalitat operativa del dispositiu.La tecnologia CMOS és beneficiosa per als usuaris que necessiten sistemes electrònics fiables i eficients.

Figura 2: Introducció a la tecnologia CMOS

L’inversor

L’inversor és un element principal en el disseny del circuit digital, particularment per a operacions aritmètiques i lògiques binàries.La funció principal és revertir el senyal d’entrada dins dels nivells de lògica binària.En termes senzills, un "0" es considera baix o zero volts, i un "1" és alt o volts V.Quan un inversor rep una entrada de 0 volts, surt V volts i, quan rep els volts V, surt 0 volts.

Una taula de veritat demostra normalment la funció de l’inversor, enumerant totes les entrades possibles i les seves sortides corresponents.Aquesta taula mostra clarament que una entrada de '0' produeix una sortida de '1' i una entrada de '1' dóna lloc a una sortida de '0'.Aquest procés d’inversió és necessari per a decisions lògiques i processament de dades en sistemes informàtics i digitals.

El funcionament de l’inversor és necessari per a interaccions digitals més complexes.Permet l'execució fluida de tasques computacionals de nivell superior i ajuda a gestionar el flux de dades dins dels circuits de manera eficaç.

Taula 1: Taula de veritat de l’inversor

L’inversor CMOS

L’inversor CMOS és un model d’eficiència en l’electrònica, que inclou un disseny senzill amb transistors NMOS i PMOS connectats en sèrie.Les seves portes estan lligades com a entrada i els seus desguassos estan connectats per formar la sortida.Aquesta disposició redueix la dissipació de potència, optimitzant el circuit per a l'eficiència energètica.

Quan el senyal d'entrada és alt (lògica '1'), el transistor NMOS s'encén, conduint corrent i tirant la sortida a un estat baix (lògica '0').Al mateix temps, el transistor PMOS està desactivat, aïllant el subministrament positiu de la sortida.Per contra, quan l’entrada és baixa (lògica “0”), el transistor NMOS s’apaga i el transistor PMOS s’encén, conduint la sortida a un estat alt (lògica “1”).

Aquesta coordinació entre els transistors NMOS i PMOS permet a l’inversor mantenir una sortida estable malgrat els ions de tensió d’entrada V ariat.Al garantir que un transistor sempre s’apaga mentre l’altre està activat, l’ACMOS Inversor conserva potència i impedeix que un camí elèctric directe de l’alimentació a terra.Ajudarà a prevenir el desguàs de potència innecessària.Aquesta configuració de doble transistor defineix el paper principal del CMOS Inverter en els circuits digitals, proporcionant una inversió lògica fiable amb un consum mínim d’energia i una alta integritat del senyal.

Figura 3: portes lògiques CMOS

L’inversor de NMOS

L’inversor NMOS es construeix mitjançant una configuració senzilla i eficient.En aquesta configuració, la porta serveix com a entrada, el desguàs funciona com a sortida, i tant la font com el substrat es posen a terra.El nucli d’aquest acord és un MOSFET de canal N de tipus N.S’aplica una tensió positiva al desguàs mitjançant una resistència de càrrega per establir el biaix dret.

Quan l’entrada de la porta està a terra, que representa una lògica “0”, no hi ha cap tensió a la porta.Aquesta manca de tensió impedeix que un canal conductor es formi al MOSFET, convertint -lo en un circuit obert amb alta resistència.Com a resultat, el corrent mínim flueix des del desguàs fins a la font, provocant que la tensió de sortida s’apropi a prop de +V, que correspon a una lògica “1”.Quan s'aplica una tensió positiva a la porta, atrau electrons a la interfície d'òxid de la porta, formant un canal de tipus N.Aquest canal redueix la resistència entre la font i el desguàs, permetent que el corrent flueixi i deixi caure la tensió de sortida fins a gairebé el nivell del sòl o la lògica '0'.

Aquesta operació mostra l’inversor NMOS com a dispositiu de desplegament eficaç, útil per a tasques de commutació binària.És útil reconèixer que aquesta configuració tendeix a consumir més poder quan es troba a l’estat “on”.L’augment del consum d’energia sorgeix del corrent continu que surt de l’alimentació cap a terra quan el transistor està actiu, destacant una compensació operativa clau en el disseny del inversor NMOS.

L’inversor PMOS

Figura 4: Fonaments bàsics de CMOS ICS

L’inversor PMOS s’estructura de manera similar al inversor NMOS però amb connexions elèctriques invertides.En aquesta configuració, s'utilitza un transistor PMOS amb una tensió positiva aplicada tant al substrat com a la font, mentre que la resistència de càrrega està connectada a terra.

Quan la tensió d'entrada és alta a +v (lògica '1'), la tensió de porta a font es converteix en zero, desactivant el transistor "desactivat".Això crea una ruta d'alta resistència entre la font i el desguàs, mantenint la tensió de sortida baixa a la lògica '0'.

Quan l’entrada es troba a 0 volts (lògica “0”), la tensió de porta a font esdevé negativa respecte a la font.Aquesta tensió negativa carrega el condensador de la porta, invertint la superfície de semiconductors de tipus N a tipus P i formant un canal conductor.Aquest canal redueix dràsticament la resistència entre la font i el desguàs, permetent que el corrent flueixi lliurement des de la font fins al desguàs.Com a resultat, la tensió de sortida s'aproxima a la tensió d'alimentació +V, corresponent a una lògica '1'.

D’aquesta manera, el transistor PMOS actua com a dispositiu de desplegament, que proporciona una ruta de baixa resistència a la tensió de subministrament positiva quan s’activa.Això fa que l’inversor PMOS sigui un component principal per crear inversió lògica estable i fiable.Assegura que la producció es condueix fortament a l'estat alt quan sigui necessari.

Secció transversal d’un CMOS

Figura 5: Secció transversal de la porta CMOS

Un xip CMOS combina transistors NMOs i PMOS en un sol substrat de silici, formant un circuit d’inversor compacte i eficient.La visualització d’una secció transversal d’aquesta configuració mostra la col·locació estratègica d’aquests transistors, optimitzant la funcionalitat i reduint la interferència elèctrica.

El transistor PMOS està incrustat al substrat de tipus N, mentre que el transistor NMOS es col·loca en una zona de tipus P separada anomenada P-Well.Aquest acord garanteix que cada transistor funciona en condicions òptimes.El P-Well actua com a terreny operatiu del transistor de les NMOs i aïlla els camins elèctrics dels transistors NMOS i PMOS, impedint la interferència.Aquest aïllament és útil per mantenir la integritat del senyal i el rendiment general del circuit CMOS.

Aquesta configuració permet al xip canviar entre estats lògics alts i baixos de forma ràpida i fiable.Integrant els dos tipus de transistors en una unitat, el disseny CMOS equilibra les seves característiques elèctriques, donant lloc a operacions de circuits més estables i eficients.Aquesta integració redueix la mida i millora el rendiment dels dispositius electrònics moderns, mostrant l’enginyeria avançada que hi ha darrere de la tecnologia CMOS.

Dissipació de potència d’un inversor CMOS

Una de les característiques clau de la tecnologia CMOS és la seva eficiència en la dissipació de potència, especialment en els estats estàtics o inactius.Quan està inactiu, un inversor CMOS atrau molt poca potència, ja que el transistor "desactivat" només es filtra un corrent mínim.Aquesta efectivitat és útil per mantenir els residus d’energia i ampliar la durada de la bateria dels dispositius portàtils.

Figura 6: Sensors CMOS: per a càmeres industrials

Durant el funcionament dinàmic, quan l’inversor canvia estats, la dissipació de potència augmenta temporalment.Aquesta espiga es produeix perquè, durant un breu moment, tant els transistors NMO com PMOS estan parcialment activats, creant una ruta directa de curta durada per al flux de corrent des de la tensió de subministrament fins a terra.Malgrat aquest augment transitori, el consum mitjà general d’un inversor CMOS continua sent molt inferior al de les tecnologies més antigues com la lògica del transistor-transistor (TTL).

Aquest ús de poca potència sostinguda a través de diferents modes operatius millora l'eficiència energètica dels circuits CMOS.Fer-lo ideal per a aplicacions on la disponibilitat d’energia és limitada, com ara dispositius mòbils i altres tecnologies alimentades per bateries.

El baix dibuix en estat estacionari d’inversors CMOS genera menys calor, cosa que redueix la tensió tèrmica als components del dispositiu.Aquesta generació de calor reduïda pot allargar la vida útil dels dispositius electrònics, cosa que fa que la tecnologia CMOS sigui un factor clau per dissenyar sistemes electrònics més sostenibles i rendibles.

La transferència de tensió de corrent continu característic de l’inversor CMOS

Figura 7: Optimitzar els circuits per a l'eficiència de potència i velocitat

La característica de transferència de tensió de corrent continu (VTC) d’un inversor CMOS és una eina principal per comprendre el seu comportament.Mostra la relació entre les tensions d’entrada i la sortida en condicions estàtiques (no commovedores), proporcionant una visió clara del rendiment de l’inversor a diferents nivells d’entrada.

En un inversor CMOS ben dissenyat, on els transistors NMOS i PMOS estan equilibrats, el VTC és gairebé ideal.És simètric i té una forta transició entre tensions de sortida altes i baixes a un llindar de tensió d’entrada específic.Aquest llindar és el punt en què l’inversor passa d’un estat lògic a un altre, canviant ràpidament de la lògica “1” a “0” i viceversa.

La precisió del VTC és útil per determinar els intervals de tensió operativa dels circuits digitals.Identifica els punts exactes on canviarà els estats, garantint que els senyals lògics siguin clars i coherents i reduint el risc d’errors a causa dels ions de tensió V ariat.

Avantatges de la tecnologia CMOS

La tecnologia CMOS ofereix un baix consum d’energia estàtica.Fent-lo més útil per a aplicacions electròniques, especialment en dispositius amb bateria, ja que utilitza energia només durant les transaccions d’estat lògic.

El disseny de circuits CMOS simplifica inherentment la complexitat, permetent una disposició compacta i d’alta densitat de funcions lògiques en un sol xip.Aquesta característica és necessària per millorar els microprocessadors i xips de memòria, millorant les capacitats operatives sense ampliar la mida física del silici.Aquest avantatge de densitat permet una major potència de processament per unitat d’àrea, facilitant els avenços en la miniaturització de la tecnologia i la integració del sistema.

La immunitat de gran soroll de la tecnologia CMOS redueix la interferència, garantint un funcionament estable i fiable dels sistemes basats en CMOS en entorns propensos al soroll electrònic.La combinació de baix consum d'energia, la complexitat reduïda i la immunitat robusta del soroll solidifica els CMO com a tecnologia fundacional en l'electrònica.Admet una àmplia gamma d’aplicacions, des de circuits simples fins a arquitectures informàtiques digitals complexes.

Figura 8: Diagrama de tecnologia CMOS

Una recapitulació de la tecnologia CMOS

CMOS Technology és una pedra angular del disseny de circuits digitals moderns, utilitzant transistors NMOS i PMOS en un sol xip.Aquest enfocament de doble transistor millora l'eficiència mitjançant la commutació complementària i redueix el consum d'energia, que és beneficiós en el món actual energètic.

La força dels circuits CMOS prové dels seus requeriments de poca potència i una excel·lent immunitat de soroll.Aquests trets són útils per crear un circuit integrat digital fiable i complex.La tecnologia CMOS resisteix efectivament a la interferència elèctrica, millorant l'estabilitat i el rendiment dels sistemes electrònics.

El baix consum d'energia estàtica de CMOS i l'operació fiable fan que sigui l'elecció preferida per a moltes aplicacions.Des de l’electrònica de consum fins als sistemes informàtics d’alta gamma, l’adaptabilitat i l’eficiència de la tecnologia CMOS continuen impulsant la innovació en la indústria de l’electrònica.El seu ús generalitzat posa de manifest la seva importància en l’avançament de la tecnologia digital.

Conclusió

La tecnologia CMOS és un paragon de la innovació en el camp del disseny de circuits digitals, impulsant contínuament l’avanç de l’electrònica des de gadgets bàsics fins a sistemes computacionals complexos.La configuració de doble transistor de NMOS i PMOS en un sol xip va permetre la commutació eficient, la dissipació de potència mínima i un alt grau d’immunitat de soroll, cosa que fa que els CMO siguin útils en la creació de circuits integrats densos.La reducció del consum d’energia sense sacrificar el rendiment s’ha demostrat en l’era dels dispositius portàtils i alimentats per bateries.La robustesa de la tecnologia CMOS en la manipulació de diverses condicions operatives i ambientals ha ampliat les seves aplicacions en nombrosos dominis.A mesura que continua evolucionant, la tecnologia CMOS pot ajudar a donar forma al paisatge futur del disseny electrònic.Assegura que no es mantingui al capdavant de la innovació tecnològica i continua complint les demandes creixents d’eficiència energètica i miniaturització en dispositius electrònics.

Preguntes més freqüents [FAQ]

1. Com funciona els CMO en electrònica digital?

La tecnologia complementària de metall-òxid-semiconductor (CMOS) és fonamental en l'electrònica digital, principalment perquè controla de manera eficient el flux d'electricitat en dispositius.A la pràctica, un circuit CMOS inclou dos tipus de transistors: NMOS i PMOS.Es disposen per garantir que només un dels transistors condueix alhora, cosa que redueix dràsticament l’energia consumida pel circuit.

Quan un circuit CMOS està en funcionament, un transistor bloqueja el corrent mentre que l’altre ho permet passar.Per exemple, si un senyal digital de "1" (alta tensió) s'introdueix en un inversor CMOS, el transistor NMOS s'encén (conductes) i el PMOS s'apaga (corrent de blocs), donant lloc a una tensió baixa o "0"a la sortida.Per contra, una entrada de "0" activa els PMOS i desactiva els NMO, donant lloc a una sortida elevada.Aquesta commutació garanteix que es perdi una potència mínima, cosa que fa que les CMO siguin ideals per a dispositius com telèfons intel·ligents i ordinadors on es requereixi l'eficiència de la bateria.

2. Quina diferència hi ha entre MOSFET i CMOS?

MOSFET (transistor d'efecte de camp d'òxid metall-semiconductor) és un tipus de transistor utilitzat per canviar senyals electròniques.Els CMOs, en canvi, es refereixen a una tecnologia que utilitza dos tipus complementaris de MOSFET (NMOS i PMOs) per crear circuits de lògica digital.

La distinció primària rau en la seva aplicació i eficiència.Un sol MOSFET pot funcionar com a commutador o amplificar senyals, requerint un flux de potència continu i potencialment generant més calor.Els CMO, integrant tant transistors NMO com PMOS, alterna entre un o l’altre, reduint la potència necessària i la calor generada.Això fa que les CMO siguin més adequades per a dispositius electrònics moderns que requereixen una alta eficiència i compactes.

3. Què passa si esborra CMOS?

Esborrar els CMOs en un ordinador restableix la configuració de la BIOS (sistema d’entrada/sortida bàsic) als seus valors predeterminats de fàbrica.Això es fa sovint per solucionar problemes de maquinari o arrencada que poden sorgir a causa de la configuració de la BIOS incorrecta o corrompuda.

Per esborrar CMOS, normalment escriviu un parell de pins específics a la placa base amb un pont o traieu la bateria CMOS durant uns minuts.Aquesta acció fa la memòria volàtil a la BIOS, esborrant qualsevol configuració com ara l'ordre d'arrencada, el temps del sistema i la configuració del maquinari.Després d’esborrar els CMO, potser haureu de reconfigurar la configuració de la BIOS segons les vostres necessitats informàtiques o la compatibilitat del maquinari.

4. Què substituirà els CMO?

Si bé la tecnologia CMOS continua prevalent, la investigació en curs pretén desenvolupar alternatives que puguin oferir una major eficiència, velocitat i integració a mesura que la tecnologia redueixi encara més.

S’estan explorant transistors de grafè per a les seves propietats elèctriques excepcionals, com la mobilitat d’electrons més elevada que el silici, que podria conduir a velocitats de processament més ràpides.

Utilitza bits quàntics que poden existir en diversos estats simultàniament, oferint augments de velocitat exponencials per a càlculs específics.

Spintronics: utilitza el gir dels electrons, en lloc de la seva càrrega, per codificar dades, reduint potencialment el consum d’energia i augmentant les capacitats de processament de dades.

Si bé aquestes tecnologies són prometedores, la transició de les OCM a un nou estàndard en electrònica digital requerirà superar reptes tècnics i inversions substancials en noves tecnologies de fabricació.A partir d’ara, CMOS segueix sent la tecnologia més pràctica i àmpliament utilitzada en el disseny de circuits digitals a causa de la seva fiabilitat i rendibilitat.