КМОП
Статический КМОП инвертор
КМОП (К-МОП; комплементарный металлооксидный полупроводник; КМДП[1]; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы
с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной
особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ
и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в
большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во
время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП
по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП)
является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как
следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим
энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным
технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.
Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.
ИсторияСхемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ,
поэтому микросхемы КМОП нашли применение в электронных часах,
калькуляторах и других устройствах с батарейным питанием, где
энергопотребление было критичным.
К 1990 году
с повышением степени интеграции микросхем встала проблема рассеивания
энергии на элементах. В результате технология КМОП оказалась в
выигрышном положении. Со временем были достигнуты скорость переключения и
плотность монтажа недостижимые в технологиях, основанных на биполярных транзисторах.
Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам.
Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем
рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.
Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся алюминий.
Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой технологии,
которая предусматривала использование затвора не только как
конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении
сток-истоковых областей, в качестве затвора стали применять поликристаллический кремний.
ТехнологияДля примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.
- Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора
снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с
землёй.
- Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень,
соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким
образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от
земли.
В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом
состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые
транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях
электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).
На рисунке с топологией микросхемы 2И-НЕ можно заметить, что в ней
используются два двухзатворных полевых транзистора разных конструкций.
Верхний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию
2ИЛИ, а нижний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую
функцию 2И.
Серии и семейства логических КМОП-микросхем зарубежного производства
-
- На КМОП-транзисторах (CMOS):
- 4000 — CMOS с питанием от 3 до 15В, 200 нс;
- 4000B — CMOS с питанием от 3 до 15В, 90 нс;
- 74C — семейство в серии 7400, аналогичное 4000B;
- 74HC — Высокоскоростное CMOS, по скорости аналогично семействам LS, 12 нс;
- 74HCT — Высокоскоростное, совместимо по выходам с биполярными сериями;
- 74AC — Улучшенное CMOS, скорость в целом между семействами S и F;
- 74ACT — Улучшенное CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
- 74AHC — Улучшенное высокоскоростное CMOS, втрое быстрее HC;
- 74AHCT — Улучшенное высокоскоростное CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
- 74ALVC — с низким напряжением питания (1,65 — 3,3В), время срабатывания 2 нс;
- 74AUC — с низким напряжением питания (0.8 — 2,7В), время срабатывания < 1,9 нс при Vпит=1,8В;
- 74FC — быстрое CMOS, скорость аналогична F;
- 74FCT — быстрое CMOS, совместимо по выходам с биполярными сериями;
- 74LCX — CMOS с питанием 3В и 5В-совместимыми входами;
- 74LVC — с пониженным напряжением (1,65 — 3.3В) и 5В-совместимыми
входами, время срабатывания < 5,5 нс при Vпит=3,3V, < 9 нс при
Vпит=2,5В;
- 74LVQ — с пониженным напряжением (3,3В);
- 74LVX — с питанием 3,3В и 5В-совместимыми входами;
- 74VHC — Сверхвысокоскоростное CMOS-семейство — быстродействие сравнимо с S;
- 74VHCT — Сверхвысокоскоростное CMOS, совместимая по выходам с биполярными сериями;
- 74G — Супер-сверхвысокоскоростное для частот выше 1 ГГц, питание 1,65В — 3,3В, 5В-совместимые входы;
- BiCMOS
- 74BCT — BiCMOS, TTL-совместимые входы, используется для буферов;
- 74ABT — Улучшенное BiCMOS-семейство, TTL-совместимые входы, быстрее ACT и BCT;
Для более гибкого применения у ряда производителей существуют также
особые семейства, в которых каждая ИМС включает всего 1 логический
элемент в 5..6-ти пиновом корпусе, что бывает полезно для конструкций с
малым количеством разных элементов и минимальным размером платы. Например: 74LVC1G00GW SOT353-1 Single 2-Input Positive-AND Gate (NXP)
Серии логических КМОП-микросхем отечественного производства- 164, 176 соответствуют серии 4000, но у 164 и 176 cерий напряжение питания 5…12 В (номинальное значение 9 В);
- 561 и 564 — семейству 4000A из серии 4000;
- 1554 — семейству 74AC из серии 7400;
- 1561 — семейству 4000B;
- 1564 — семейству 74HC;
- 1594 — семейству 74ACT;
- 5564 — семейству 74HCT;
- 5584 — семейству 74НС;
- 5514БЦ — серия отечественных логических микросхем на основе БМК. Предназначенна для замены устаревших логических микросхем серий
564 , 1564 и их зарубежных аналогов.
|