Was ist so toll an CMOS?

Ich habe viele Themen hier gelesen. Ich habe einige Leute gelesen, die sagten, ich hätte lieber "CMOS-Eigenschaften" und so weiter, auch in einigen Datenblättern (wie AVR), sie sagten, es habe CMOS-Eigenschaften usw. Ich erinnere mich an ein Wort, das "CMOS-kompatibel" war?

Warum macht es Menschen stolz, "CMOS-Eigenschaften" zu haben?

Die CMOS-Logik (Complementary Metal Oxid Semiconductor) weist eine Reihe von wünschenswerten Eigenschaften auf:

1. Hohe Eingangsimpedanz. Das Eingangssignal steuert Elektroden mit einer Isolationsschicht (dem Metalloxid) zwischen ihnen und dem, was sie steuern. Dies verleiht ihnen eine geringe Kapazität, aber einen praktisch unendlichen Widerstand. Der Strom in oder aus einem CMOS-Eingang, der auf einem Pegel gehalten wird, ist nur ein Leckstrom, normalerweise 1 µA oder weniger.

2. Die Ausgänge werden aktiv in beide Richtungen angesteuert.

3. Die Ausgänge sind so ziemlich Rail-to-Rail.

4. CMOS-Logik verbraucht sehr wenig Strom, wenn sie in einem festen Zustand gehalten wird. Der Stromverbrauch ergibt sich aus dem Schalten, wenn diese Kondensatoren geladen und entladen werden. Selbst dann hat es im Vergleich zu anderen Logiktypen ein gutes Verhältnis von Geschwindigkeit zu Leistung.

5. CMOS-Gatter sind sehr einfach. Das Grundgatter ist ein Inverter, der nur aus zwei Transistoren besteht. Zusammen mit dem geringen Stromverbrauch eignet sich dies gut für eine dichte Integration. Oder umgekehrt erhalten Sie eine Menge Logik für die Größe, die Kosten und die Leistung.

Es bezieht sich darauf, wie die Gates auf dem IC aufgebaut sind. CMOS steht für Complementary MOS (Metalloxid-Halbleiter), bei dem sowohl PMOS als auch NMOS (dh komplementär) zum Aufbau der Logik verwendet werden.
CMOS ist schnell, hat einen großen Fan-Out und verbraucht weniger Strom als andere Technologien.

Andere Familien sind TTL (Transistor-Transistor-Logik, NPN / PNP wird immer noch verwendet), ECL (emittergekoppelte Logik - schnell, verbraucht aber viel Leistung - wird immer noch in unterschiedlichen Formen verwendet), DTL (Diodentransistor-Logik - alt) und RTL (Widerstandstransistor) Logik (älter)

"CMOS-kompatibel" oder "TTL-kompatibel" wird häufig verwendet, um die für logische 1 und 0 erforderlichen Spannungspegel zu beschreiben.

Oli und Olin haben die Stärken von CMOS erklärt, aber lassen Sie mich einen Schritt zurücktreten.

TL: DR: Die komplementäre Logik ermöglicht einen Spannungshub von Schiene zu Schiene. MOSFET-Transistoren sind eine sehr skalierbare Technologie (Milliarden von Transistoren können auf einer kleinen Oberfläche erhalten werden) mit einigen sehr nützlichen Eigenschaften (im Vergleich zu BJT).

Warum CMOS?

Der Bedarf an ergänzenden Toren beruht auf der Tatsache, dass das einfachste Torkonzept auf der Idee des Hochziehens und Herunterziehens basiert; Dies bedeutet, dass es ein Gerät (einen Transistor oder eine Gruppe von Transistoren) gibt, das den Ausgang hochzieht (auf "1"), und ein anderes Gerät, um ihn herunterzuziehen (auf "0").

$V_{GS}>V_T>0.7V$ um und einen Strom fließen zu lassen; Aus diesem Grund funktioniert es gut als Pull-Down-Gerät, aber nicht so gut als Pull-Up-Gerät (es wird ausgeschaltet, bevor die Ausgangsspannung auf VDD ansteigt). Daher die Idee, das pMOS zu verwenden, das etwas schlechter abschneidet (weil sich Löcher langsamer bewegen als Elektronen, aber dies ist eine andere Geschichte), aber perfekt als Pull-up fungiert.

Also komplementär (das "C" im CMOS), weil Sie zwei Geräte verwenden, die sich gegensätzlich verhalten und sich somit ergänzen. Dann invertiert die Logik, weil nMOS (das herunterzieht) eine hohe Eingangsspannung ('1') zum Einschalten benötigt und pMOS eine niedrige Spannung ('0') benötigt.

Aber warum ist MOS gut?

Und noch ein paar zusätzliche Informationen: Wie Olin ebenfalls sagte, ist der Hauptgrund für die Verbreitung der MOSFET-Technologie, dass es sich um ein planares Bauelement handelt, das sich für die Herstellung auf der Oberfläche eines Halbleiters eignet.

Wie Sie auf dem Bild sehen können, besteht der Aufbau eines MOSFET (dies ist ein n-Kanal, der p-Kanal auf demselben Substrat erfordert ein zusätzliches dotiertes Gebiet, das als n-Wanne bezeichnet wird) im Wesentlichen aus der Dotierung der beiden n + -Bereiche und Ablegen des Tors und der Kontakte (sehr sehr vereinfacht).

BJT-Transistoren werden heutzutage ebenfalls in MOS-ähnlicher Technologie hergestellt, was bedeutet, dass sie auf einer Oberfläche "geätzt" sind. Grundsätzlich bestehen sie jedoch aus drei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten, sodass sie in erster Linie für die diskrete Technologie bestimmt sind. Die Art und Weise, wie sie jetzt aufgebaut sind, besteht darin, diese drei Schichten in unterschiedlichen Tiefen des Siliziums zu erzeugen, und (nur um eine Vorstellung zu geben) in neuerer Technologie belegen sie eine Fläche in der Größenordnung von etwa Quadratmikrometern, während MOS-Transistoren vorhanden sein können Eingebaute <20-nm-Technologie (diesen Wert regelmäßig aktualisieren) mit einer Gesamtfläche in der Größenordnung von weniger als 100 nm². (Bild rechts)

Sie sehen also, dass ein MOSFET-Transistor (in der heutigen Technologie) neben den anderen Eigenschaften viel besser für die Erzielung einer Very Large Scale Integration (VLSI) geeignet ist.

Bipolartransistoren sind wegen ihrer besseren Linearitätseigenschaften in der analogen Elektronik ohnehin noch weit verbreitet. Ein BJT ist auch schneller als ein MOSFET, der mit der gleichen Technologie (gemeint als Transistorabmessungen) gebaut wurde.

CMOS gegen MOS

Es ist zu beachten, dass CMOS nicht mit MOS äquivalent ist: Da C für "Komplementär" steht, handelt es sich um eine spezielle (auch wenn weit verbreitete) Konfiguration für MOS-Gatter, während Hochgeschwindigkeitsschaltungen häufig dynamische Logik verwenden, um die Eingangskapazität von im Wesentlichen zu reduzieren Tore. Tatsächlich ist der Versuch, die Technologie an ihre Grenzen zu treiben, mit zwei Gate-Kapazitäten (wie bei CMOS) am Eingang eine Ursache für Leistungseinbußen. Man könnte sagen, dass es ausreichend ist, den von der vorherigen Stufe gelieferten Strom zu erhöhen, aber zum Beispiel erfordert die doppelte Ladegeschwindigkeit den doppelten Ladestrom, dh die doppelte Leitfähigkeit, die mit der doppelten Kanalbreite erreicht wird, und - überraschenderweise - die doppelte Eingangskapazität.

Andere Topologien wie die Durchlasstransistorlogik können die Struktur bestimmter Gatter vereinfachen und manchmal eine höhere Geschwindigkeit erzielen.

Über Schnittstellen

Beim Wechsel des Themas, wenn es um Mikrocontroller und Schnittstellen geht, ist zu beachten, dass die hohe Eingangsimpedanz von CMOS-Gattern sehr wichtig ist, um sicherzustellen, dass die Eingangs- / Ausgangs-Pins niemals potentialfrei bleiben (wenn sie geschützt sind, wird dies intern sichergestellt) Das Tor kann externen Geräuschen ausgesetzt sein und unvorhersehbare Werte annehmen (mit möglicher Blockierung und Beschädigung). Wenn Sie also angeben, dass ein Gerät CMOS-Eigenschaften aufweist, sollten Sie auch darauf hinweisen.

Wenn Sie die Alternativen kennen, die es gab, bevor es CMOS gab oder bevor CMOS schnell genug war, um zu konkurrieren, werden Sie verstehen, dass es eine großartige Technologie ist.

Die Alternativen waren TTL, LS-TTL, P- oder NMOS.

Ohne den geringen Stromverbrauch der CMOS-Technologie war keiner der aktuellen Mikroprozessoren annähernd praktisch einsetzbar.

Heutige CMOS-Mikroprozessoren haben eine Leistungsdichte (Verlustleistung pro Chipfläche), die der einer Kochplatte ähnelt. Stellen Sie sich vor, die Leistungsdichte alternativer Technologien wäre 100- oder 1000-mal höher.

Nur um das zu ergänzen, was andere bereits beantwortet haben, ist einer der Gründe, warum ein Chiphersteller für sein Teil Werbung macht, CMOS-kompatibel ist oder tatsächliche CMOS-Ausgänge hat, dass Sie seinen Chip mit allen anderen CMOS- und CMOS- kompatible Chips.

Wenn Sie beispielsweise einen Mikrocontroller oder FPGA mit CMOS-E / A-Pins haben, können Sie diesen mit CMOS-Klebelogik-Chips oder einem CMOS-EEPROM oder einem CMOS-ADC verwenden. Wenn alle diese Teile eine standardisierte Schnittstelle verwenden, wissen Sie (meistens), dass Sie sie alle miteinander verbinden können, und sie funktionieren.

CMOS bezieht sich auf eine Technologie zum Erstellen integrierter Schaltkreise (gilt also nicht für passive Bauelemente wie Widerstände). Es gibt andere Technologien wie TTL und NMOS.

Ein großer Vorteil von CMOS ist, dass es weniger Strom verbraucht als andere Technologien. CMOS-Designs haben einen statischen Stromverbrauch von nahezu Null. Nur während der Übergänge verbraucht CMOS eine nicht zu vernachlässigende Menge an Energie, aber selbst dann ist es als CMOS-Schalter immer noch extrem klein schnell , in der Größenordnung von Pikosekunden für die schnellsten praktischen Designs. (Deshalb verbrauchen Mikrocontroller bei höheren Taktfrequenzen mehr Leistung, da höhere Frequenzen häufigere Übergänge bedeuten.)

All dies bedeutet weniger Abwärme und dichtere integrierte Schaltkreise (dh kleinere IC-Grundflächen für die gleiche Funktion). Wenn Ihr Gerät die meiste Zeit mit Batterien betrieben wird oder so klein wie möglich sein muss (z. B. Smartphones), ist dies ein großer Gewinn.

Grundsätzlich werden wir in ZWEI Typen klassifiziert: 1) unipolare Logikfamilien 2) bipolare Logikfamilien Die ICs dieser Familie werden mit unipolaren Bausteinen wie MOSFET aufgebaut