Микросхемы КМОП
Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке.
Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.
Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.
Так появился МОП-транзистор, а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.
Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.
Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.
Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.
Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 – 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 – 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.
Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.
За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.
Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.
На рисунке показан классический базовый элемент (вентиль), который осуществляет инверсию входного сигнала (элемент НЕ). То есть если на вход приходит логическая единица, то с выхода снимается логический ноль и наоборот. Здесь наглядно показана комплементарная пара транзисторов с затворами «n» и «p» типов.
На следующем рисунке показан базовый элемент 2И – НЕ. Хорошо видно, что резисторы, которые присутствуют в аналогичном элементе ТТЛ микросхемы, здесь отсутствуют. Из двух таких элементов легко получить триггер, а из последовательного ряда триггеров прямая дорога к счётчикам, регистрам и запоминающим устройствам.
При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.
Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.
Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и металлический браслет, одеваемый на руку работнику.
Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.
КМОП транзисторы. Работа и применение. Особенности
Основу современных электронных микросхем высокой степени интеграции («микропроцессоров») составляет огромное количество транзисторов, исчисляемое миллионами штук. Все они располагаются на одной подложке с нанесенными на ней кристаллами кремния. Уникальные характеристики полупроводникового материала позволили разработать на его основе маломощные и мощные КМОП транзисторы, применяемые в большинстве современных электронных приложений.
Короткая историческая справка
Схемы, получившие впоследствии название «КМОП структуры», в 1963 году изобрел американец Фрэнк Вонлас, служащий компании «Fairchild Semiconductor». А первые микросхемы, изготовленные по этой технологии, были созданы уже в 1968 году прошлого века. В течение долгого времени структуры КМОП рассматривалась в качестве энергосберегающей альтернативы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). В те времена они характеризовались плохими показателями по времени переключения элементов (скорость коммутации была сравнительно низкой). Именно поэтому микросхемы и КМОП транзисторы первоначально применялись в электронных изделиях, не требующих высокого быстродействия, но критичных к энергопотреблению.
К 1990 году уровень интеграции микросхем существенно повысился, что привело к проблеме рассеивания энергии на отдельных элементах корпусных изделий. После решения этого вопроса технологии КМОП полностью завоевали рынок электроники. Со временем скоростные характеристики переключения элементов существенно возросли, а плотность монтажа увеличилась до недостижимых ранее показателей.
У первых КМОП изделий был один существенный недостаток. Они отличались повышенной чувствительностью к электростатическим разрядам и часто выходили из строя. Сегодня эта проблема практически полностью решена, что не снимает требований по принятию мер безопасности в части угрозы пробоя статическим электричеством при хранении и монтаже КМОМ микросхем и транзисторов.
Для изготовления затворов в ячейках рассматриваемых элементов сначала применялся сравнительно дорогой алюминий. Позже при их производстве стал использоваться более дешевый поликристаллический кремний.
Кремний как основа, из которой изготавливаются КМОП транзисторы
Природный элемент кремний идеально подходит для изготовления транзисторов и микросхем различной степени интеграции. Подобная возможность объясняется тем, что этот материал обладает свойствами полупроводников. Это означает, что по своим электропроводным показателям он занимает промежуточное положение между изолирующими диэлектриками и проводящими ток металлами.
То есть в зависимости от условий его применения кремний может служить не только хорошим изолятором, в котором практически отсутствуют свободные заряды, но и быть идеальным проводником. Управлять показателем проводимости полупроводниковых материалов удается путем добавления в них примесей других химических элеметов.
На основе таких полупроводников и создаются уникальные по своим характеристикам КМОП транзисторы. Современные микропроцессоры содержат в своем составе миллионы единиц этих элементов, соединенных тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки цифровых данных.
Как устроены КМОП транзисторы и в чем состоит принцип их работы
Основу составляет электронный инвертор, изготовленный на двух дополняющих друг друга МОП транзисторах («n» и «p» проводимости). Первый из них выполняет ключевую функцию, а второй используется в качестве динамической нагрузки (Рис-1).
Отметим также, что при сборке полевых транзсторов применяется вариант изделий с индуцированным каналом и изолированным затвором. Особенность таких структур состоит в том, что подачей входного сигнала на их затвор удается управлять не только ключевым элементом, но и вторым транзистором, выполняющим функцию нагрузки.
Для понимания принципа работы этих изделий потребуется ознакомиться с рабочими характеристиками КМОП структур.
На (Рис-2) приведены входные характеристики полевых спаренных транзисторов. Один из них, имеющий n-канал (VТn), проводит ток при подаче на его затвор положительного напряжения. В отличие от него, элемент КМОП с р-каналом (VТp) открывается при появлении на его затворе отрицательного по отношению к истоку потенциала.
Для нормальной работы этой пары транзисторов необходимо, чтобы на входных характеристиках в самом начале имелась пологая часть (так называемая «пятка»). При необходимости использования положительного питающего напряжении (+Eп) в качестве ключа должен использоваться транзистор VТn, а в качестве нагрузочного резистора – элемент VТp.
Особенности включения
По своему схемному решению электронный инвертор МОП типа может быть описан следующим образом:
- Исток VТp подключается к источнику питающего напряжения Eп.
- Соответствующий электрод транзистора VТn соединяется с землей.
- Затворы обоих элементов объединяются в одной точке и являются входом схемы.
- Стоки и того и другого транзистора также объединены; они служат выходом электронного инвертора.
При таком способе их включения справедливы следующие соотношения для напряжений затвор-исток VТn и VТp:
- Uзип = Uвх.
- Uзир = Uвх-Еп.
При рассмотрении работы этой пары обычно предполагается, что эти КМОП транзисторы имеют схожие характеристики и одинаковое пороговое напряжение Uпn =½Uпр½=1,5В.
Для понимания принципа работы КМОП структур потребуется рассмотреть работу инвертора, ориентируясь на его входную характеристику, на которой выделяется несколько участков. Первый – это отрезок кривой от U0вх до Uпn; на этой части Uзип = Uвх и элемент VТn закрыт, Uзир = Uвх-Еп < Uпр, а транзистор VТp открыт.
В состоянии, соответствующем этому участку, схема электронного инвертора практически не потребляет тока, поскольку элемент VТn полностью закрыт. При этом транзистор VТp находится в насыщении, благодаря которому на выход будет поступать почти полное напряжение питания Eп.
На отрезке кривой, где напряжение переключения схемы Uп > Uвх > Uпn, а Uвых = 0,5(U1-U0). Uзип = UВХ > Uпn транзистор VТn начинает открываться VТp будет закрыт. Потребляемой всей схемой ток в этом случае определяется транзистором VТn.
Ток, протекающий по цепочке из последовательно включенных транзисторов обеспечивает падение напряжения на VТp. За счет этого выходной сигнал, снимаемый со средней точки относительно земли, начинает уменьшаться. Но с ростом входного напряжения он снижается совсем ненамного, поскольку транзистор VТp какое-то время находится в насыщении.
Особенности схемотехники
В схемах, в которые включаются КМОП транзисторы, не предусмотрена установка нагрузочных резисторов. Именно поэтому в статическом режиме через такую цепь протекают лишь токи утечки, определяемые полностью закрытой транзисторной парой (энергопотребление в этом случае минимально). В режиме переключений электроэнергия тратится в основном на перезарядку емкостей, которыми обладают затворы и подводящие провода. Поэтому рассеиваемая на КМОП структуре мощность сравнительно невелика; она определяется в основном частотой коммутаций транзистора.
При установке таких переключателей в логическую микросхему «2И-НЕ», например, потребуется использовать два 2-х затворных полевых транзистора с разной проводимостью. Один из них (верхний на Рис-3) формирует напряжение, соответствующее логической «1» при условии, что любой из затворов имеет низкий уровень. В отличие от него нижний полевой транзистор из пары «выдает» единицу на выходе элемента в случае, если на оба затвора подан высокий уровень.
Включенные в такую цепь пары полевых элементов с разными проводимостями переключаются не мгновенно (на это тратятся доли секунды). В результате получается, что на какое-то время они оба могут быть в открытом состоянии. Это приводит к тому, что между шинами появляется импульс сквозного тока, являющегося причиной кратковременного повышения потребления от источника питания. Если не принимать во внимание это небольшое отступление от нормы – рассматриваемые структуры КМОП выделяются среди других полупроводников своим рекордно низким энергопотреблением.
Защита от статического электричества
Поскольку затворы таких элементов имеют значительные по величине входные сопротивления – случайный электростатический разряд может привести к пробою элемента с последующим выходом его из строя.
Для предохранения от статики КМОП транзисторы имеют на входе специальную защитную цепочку, в которую входят полупроводниковые диоды с низким напряжением пробоя. Одним своим концом они подсоединяются к входным контактам, а вторым – к общей шине питания.
Области применения
КМОП транзисторы широко применяются при изготовлении элементов цифровой техники и микроконтроллеров, в частности. В прошлом веке на их основе разрабатывались микросхемы с высоким входным сопротивлением и предельно низким потреблением (К176 серия).
Сегодня сфера применения этих электронных изделий существенно расширилась. Структуры типа «металл-окисел-полупроводник» усовершенствовались настолько, что на их основе стало возможным изготавливать мощные транзисторные ключи (КМОП коммутаторы).
Похожие темы:
- Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности
- Полевые транзисторы. Виды и устройство. Применение и особенности
- Оптроны. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности
- Биполярные транзисторы. Виды и характеристики. Работа и устройство
- Микроэлектромеханические системы (МЭМС). Особенности
Введение в КМОП логику: определение, элементы, транзисторы и применение
В данной статье мы рассмотрим основные принципы и элементы КМОП логики, объясним их преимущества и недостатки, а также рассмотрим области применения этой технологии.
Введение в КМОП логику: определение, элементы, транзисторы и применение обновлено: 12 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! Сегодня мы будем говорить о КМОП логике. КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) – это одна из основных технологий, используемых в современных интегральных схемах. Она позволяет создавать эффективные и быстродействующие логические элементы.
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Определение КМОП логики
КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) логика – это один из типов логических схем, которые используются в электронике для реализации логических операций. Она основана на использовании транзисторов КМОП, которые являются основными элементами этой логики.
КМОП логика получила свое название из-за использования комплементарных пар транзисторов – транзисторов с типами проводимости N и P. В этой логике, транзисторы N и P работают вместе, чтобы создать логические функции.
Основная идея КМОП логики заключается в том, что транзисторы КМОП могут быть использованы для создания логических вентилей, которые могут выполнять операции И, ИЛИ и НЕ. Каждый логический вентиль состоит из нескольких транзисторов, которые соединены в определенной конфигурации.
КМОП логика широко применяется в различных областях, таких как цифровая электроника, микропроцессоры, компьютеры и другие устройства. Она обладает рядом преимуществ, таких как низкое энергопотребление, высокая скорость работы и надежность.
Основные элементы КМОП логики
Основными элементами КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) логики являются транзисторы КМОП и логические вентили.
Транзисторы КМОП
Транзисторы КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) являются основными строительными блоками КМОП логики. Они состоят из полупроводникового канала, изолирующего слоя оксида и металлических контактов.
Транзисторы КМОП могут быть двух типов: NMOS (отрицательный МОС) и PMOS (положительный МОС). NMOS транзисторы используются для создания логических вентилей, которые выполняют операции И и НЕ, а PMOS транзисторы используются для операции ИЛИ.
Логические вентили КМОП
Логические вентили КМОП являются основными функциональными блоками КМОП логики. Они выполняют логические операции, такие как И, ИЛИ и НЕ.
Логический вентиль И состоит из NMOS транзисторов, которые соединены последовательно, и PMOS транзистора, который соединен параллельно. Логический вентиль ИЛИ состоит из NMOS транзистора, который соединен параллельно, и PMOS транзисторов, которые соединены последовательно. Логический вентиль НЕ состоит из одного NMOS транзистора.
Преимущества и недостатки КМОП логики
КМОП логика имеет ряд преимуществ:
- Низкое энергопотребление: транзисторы КМОП потребляют меньше энергии по сравнению с другими типами транзисторов.
- Высокая скорость работы: КМОП логика обладает высокой скоростью работы, что позволяет ей выполнять операции быстро.
- Надежность: транзисторы КМОП обладают высокой надежностью и долговечностью.
Однако у КМОП логики есть и некоторые недостатки:
- Ограниченное напряжение питания: КМОП логика работает при ограниченном диапазоне напряжения питания.
- Чувствительность к статическому электричеству: транзисторы КМОП могут быть повреждены статическим электричеством, поэтому требуется особая осторожность при их обращении.
Применение КМОП логики
КМОП логика широко применяется в различных областях, таких как цифровая электроника, микропроцессоры, компьютеры и другие устройства. Она используется для создания логических схем, которые выполняют операции И, ИЛИ и НЕ. КМОП логика также используется во многих интегральных схемах, которые являются основой для работы многих современных устройств.
Транзисторы КМОП
Транзисторы КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) являются основными элементами КМОП логики. Они состоят из трех слоев: металлического контакта, оксидного слоя и полупроводникового слоя.
Структура транзистора КМОП
Транзистор КМОП имеет структуру, состоящую из двух типов транзисторов: p-канального и n-канального. P-канальный транзистор состоит из p-типа полупроводника, окруженного n-типом полупроводника, а n-канальный транзистор состоит из n-типа полупроводника, окруженного p-типом полупроводника.
Принцип работы транзистора КМОП
Транзисторы КМОП работают на основе принципа управления током с помощью напряжения. Когда на вход транзистора подается напряжение, создается электрическое поле, которое контролирует ток, протекающий через транзистор. При подаче логического “1” на вход транзистора, он открывается и позволяет току протекать, а при подаче логического “0” он закрывается и прекращает протекание тока.
Преимущества транзисторов КМОП
- Низкое энергопотребление: транзисторы КМОП потребляют меньше энергии по сравнению с другими типами транзисторов.
- Высокая интеграция: транзисторы КМОП могут быть интегрированы на одном кристалле, что позволяет создавать компактные и сложные логические схемы.
- Высокая скорость работы: транзисторы КМОП обладают высокой скоростью переключения, что позволяет им выполнять операции быстро и эффективно.
Недостатки транзисторов КМОП
- Чувствительность к статическому электричеству: транзисторы КМОП могут быть повреждены статическим электричеством, поэтому требуется особая осторожность при их обращении.
- Ограниченное напряжение питания: транзисторы КМОП работают с ограниченным диапазоном напряжения питания, что может ограничить их применение в некоторых схемах.
Применение транзисторов КМОП
Транзисторы КМОП широко применяются в различных областях, таких как цифровая электроника, микропроцессоры, компьютеры и другие устройства. Они используются для создания логических схем, которые выполняют операции И, ИЛИ и НЕ. Транзисторы КМОП также используются во многих интегральных схемах, которые являются основой для работы многих современных устройств.
Логические вентили КМОП
Логические вентили КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) являются основными строительными блоками цифровых схем на основе КМОП технологии. Они выполняют логические операции, такие как И (AND), ИЛИ (OR) и НЕ (NOT), и используются для создания сложных логических функций.
Транзисторы КМОП в логических вентилях
Логические вентили КМОП состоят из транзисторов КМОП, которые работают в режиме насыщения или отсечки. Вентили могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, в зависимости от количества транзисторов, используемых в их конструкции.
Операции логических вентилей
Логические вентили КМОП выполняют следующие операции:
- И (AND): Вентиль И принимает два или более входных сигнала и выдает выходной сигнал, равный 1 только в том случае, если все входные сигналы равны 1. Если хотя бы один из входных сигналов равен 0, то выходной сигнал будет равен 0.
- ИЛИ (OR): Вентиль ИЛИ принимает два или более входных сигнала и выдает выходной сигнал, равный 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1. Если все входные сигналы равны 0, то выходной сигнал будет равен 0.
- НЕ (NOT): Вентиль НЕ принимает один входной сигнал и выдает выходной сигнал, равный инверсии входного сигнала. Если входной сигнал равен 1, то выходной сигнал будет равен 0, и наоборот.
Примеры логических вентилей КМОП
Примеры логических вентилей КМОП включают в себя вентили И, ИЛИ и НЕ. Вентиль И состоит из нескольких транзисторов КМОП, соединенных параллельно, и выдает выходной сигнал, равный 1 только в том случае, если все входные сигналы равны 1. Вентиль ИЛИ состоит из нескольких транзисторов КМОП, соединенных последовательно, и выдает выходной сигнал, равный 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1. Вентиль НЕ состоит из одного транзистора КМОП и инвертирует входной сигнал.
Логические вентили КМОП являются основой для создания сложных цифровых схем и устройств. Они обладают высокой скоростью работы, низким энергопотреблением и хорошей совместимостью с другими элементами КМОП технологии.
Преимущества КМОП логики:
1. Низкое энергопотребление: КМОП логика потребляет меньше энергии по сравнению с другими типами логики, такими как ТТЛ (транзистор-транзисторная логика) или ЕСЛ (эмиттерно-связанная логика). Это делает ее идеальным выбором для мобильных устройств и батарейных систем.
2. Высокая скорость работы: КМОП логика обладает высокой скоростью работы, что позволяет ей обрабатывать большое количество информации за короткое время. Это особенно важно для приложений, требующих быстрой обработки данных, таких как микропроцессоры и компьютерные системы.
3. Малые размеры: Транзисторы КМОП могут быть изготовлены очень маленькими, что позволяет создавать компактные и высокоинтегрированные цифровые схемы. Это особенно полезно для разработки микрочипов и микроконтроллеров с большим количеством функций на небольшой площади.
4. Хорошая совместимость: КМОП логика хорошо совместима с другими элементами КМОП технологии, такими как транзисторы, резисторы и конденсаторы. Это позволяет легко интегрировать КМОП логику в существующие цифровые схемы и системы.
Недостатки КМОП логики:
1. Ограниченное напряжение питания: КМОП логика работает на низком напряжении питания, обычно в диапазоне от 3 до 5 вольт. Это ограничивает ее применение в некоторых высоковольтных системах или приложениях, требующих большего напряжения.
2. Ограниченная стойкость к статическому электричеству: Транзисторы КМОП могут быть повреждены статическим электричеством, поэтому требуется особая осторожность при их обработке и монтаже. Это может быть проблемой в неконтролируемых средах или при работе с большими объемами КМОП логики.
3. Ограниченная температурная стабильность: КМОП логика может быть чувствительна к высоким температурам, что может привести к снижению ее производительности или даже выходу из строя. Поэтому требуется хорошая система охлаждения для обеспечения надежной работы КМОП логики в экстремальных условиях.
4. Ограниченная надежность: КМОП логика может быть подвержена различным видам неисправностей, таким как короткое замыкание или обрыв проводников. Это может привести к сбоям в работе цифровых схем и систем, поэтому требуется тщательное тестирование и контроль качества при производстве КМОП логики.
Применение КМОП логики
КМОП (комплементарно-металл-оксид-полупроводник) логика является одной из основных технологий, используемых в современных цифровых интегральных схемах. Она широко применяется в различных областях, включая:
Компьютеры и микропроцессоры
КМОП логика является основой для создания микропроцессоров и компьютеров. Она позволяет создавать высокопроизводительные и энергоэффективные процессоры, которые могут обрабатывать большие объемы данных и выполнять сложные вычисления.
Мобильные устройства
КМОП логика широко используется в мобильных устройствах, таких как смартфоны и планшеты. Она позволяет создавать компактные и энергоэффективные устройства, которые могут выполнять различные функции, включая обработку данных, связь и управление.
Коммуникационные системы
КМОП логика применяется в коммуникационных системах, таких как маршрутизаторы, коммутаторы и сетевые устройства. Она обеспечивает быструю и надежную передачу данных, а также позволяет управлять и контролировать работу сети.
Автомобильная промышленность
КМОП логика используется в автомобильной промышленности для создания различных систем и устройств, таких как системы управления двигателем, системы безопасности и системы комфорта. Она обеспечивает высокую производительность и надежность работы в условиях автомобильной эксплуатации.
Промышленные автоматизированные системы
КМОП логика применяется в промышленных автоматизированных системах для управления и контроля различных процессов и операций. Она позволяет создавать высокопроизводительные и надежные системы, которые могут обрабатывать большие объемы данных и выполнять сложные операции.
Таким образом, КМОП логика имеет широкий спектр применения и играет важную роль в различных областях техники и технологии. Она обеспечивает высокую производительность, энергоэффективность и надежность работы цифровых систем и устройств.
Таблица свойств КМОП логики
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Низкое потребление энергии | КМОП логика потребляет меньше энергии по сравнению с другими типами логики, такими как ТТЛ или ЕМИТТЕРНО-СОПРОТИВЛЕНИЕ |
| Высокая интеграция | КМОП логика позволяет интегрировать большое количество элементов на одном кристалле, что увеличивает плотность интеграции и уменьшает размер устройств |
| Высокая скорость работы | КМОП логика обладает высокой скоростью работы, что позволяет ей обрабатывать данные быстрее, чем другие типы логики |
| Широкий диапазон напряжений | КМОП логика может работать с широким диапазоном напряжений, что делает ее универсальной и применимой в различных схемах |
| Малые габариты | КМОП логика имеет малые размеры, что позволяет создавать компактные устройства и системы |
| Высокая надежность | КМОП логика обладает высокой надежностью и стабильностью работы, что делает ее предпочтительной для применения в различных областях |
Заключение
В данной лекции мы рассмотрели основные аспекты КМОП логики. Мы определили КМОП логику как технологию, основанную на использовании транзисторов с полевым эффектом. Рассмотрели основные элементы КМОП логики, такие как транзисторы и логические вентили. Также обсудили преимущества и недостатки данной технологии, а также ее применение. КМОП логика широко используется в современных электронных устройствах, благодаря своей низкой потребляемой мощности и высокой интеграции.
Введение в КМОП логику: определение, элементы, транзисторы и применение обновлено: 12 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
UltraCMOS Фирмы «Peregrine Semiconductor»: СВЧ возможности КМОП-технологии
Полагаю, что у большинства аббревиатура КМОП ( CMOS ) ассоциируется с микросхемами логики и полевыми транзисторами. Для производства СВЧ компонентов в основном используются элементы из групп ///-/V Таблицы Менделеева: GaAs, InP, SiGe. Развивая технологию КНС – Кремний На Сапфире (Si & Al2O3) более 25 лет, компания «Peregrine Semiconductor» создала технологию UltraCMOS 11, которая по показателю Ron*Coff обладает лучшими параметрами, чем доминирующая на рынке десятилетиями технология GaAs.
Толчком к развитию технологии КНС послужила ее повышенная радиационная стойкость, которая необходима для космических (Space) и высоконадежных (Hi-Rel) применений. Так, например, полностью отсутствует «тиристорный эффект» ( SEL ). Отсутствует и повышенная чувствительность к низким дозам радиации ( ELDRS ). В настоящий момент такая продукция поставляется через подразделение компании E2V. Фирма «Peregrine Semiconductor» поставляет гражданскую продукцию — в данный момент до 40 ГГц – и продолжает повышать планку!
На данный момент компания «Peregrine Semiconductor» производит для высоконадежного рынка: переключатели до 8.5 ГГц, цифровые аттенюаторы до 4 ГГц, преобразователи вторичного питания, микросхемы ФАПЧ до 5 ГГц и предделители частоты до 13.5 ГГц.
Для гражданского рынка: переключатели до 40ГГц, цифровые аттенюаторы до 8 ГГц, конденсаторы перестраиваемые цифрой до 3ГГц, ограничители мощности с переменным порогом до 6ГГц, смесители, монолитные контроллеры амплитуды и фазы и GaN FET драйверы.
По ряду параметров микросхемы фирмы «Peregrine Semiconductor» успешно конкурируют с такими известными производителями, как Skyworks, RFMD (Qorvo), Hittite (ADI). Рассмотрим наиболее удачные из них.
1. СВЧ переключатели (RF Switches)
СВЧ переключатели производятся с момента основания компании и имеют наиболее широкую номенклатуру – более 50 изделий. Они находят применение в сотовой связи, радио- и измерительном оборудовании, антенных системах и кабельных сетях.
Достоинствами переключателей фирмы «Peregrine Semiconductor» является их низкая стоимость, низкое энергопотребление, высокая линейность и для многих — расширенный рабочий диапазон температур. Из недостатков – они далеко не самые быстрые и мощные. Лучшее время переключения составляет 145 нс, самая большая коммутируемая мощность – 18 Вт. Максимальное число полюсов – 5 ( SP5T ). На частоте порядка 200 МГц лучшие потери 0.1 дБ, а изоляция – 94 дБ.
PE42020 – уникальный “True DC” SPDT переключатель, от 0 Гц до 8 ГГц. Слово «true» подчеркивает, что он способен коммутировать постоянное напряжение (до ±10 В) и ток (до 80 мА). Применяется в измерительном оборудовании и подробно рассмотрен здесь.
PE42723 – 75-Ом-ный SPDT переключатель 5-1794 МГц, суперлинейный с IP3 = 88 дБм @ (17 МГц & Pin= 18 дБм) по входу, с очень низкими гармониками, которые характеризуются как 3fo = -140 дБн @ 17 МГц. Потери на проход составляют 0.3 дБ, изоляция между портами RFC-RFX 54 дБ @ 204 МГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 3 кВ ( HBM ). На данный момент это единственный переключатель в мире, соответствующий стандарту DOCSIS 3.0/3.1 для кабельных сетей.
PE42524 – это широкополосный SPDT переключатель 0.01-40 ГГц в корпусе flip-chip. Рекомендации по монтажу такого корпуса с примерами даны в AN42.
Переключатель характеризуется: высокой изоляцией 50 дБ @ 26.5 ГГц, 51 дБ @ 40 ГГц; отличной линейностью – 31.5 дБм @ 26.5 ГГц и низкими потерями – 1.8 дБ @ 26.5 ГГц, 3.1 дБ @ 35 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Это единственный КМОП переключатель, который забрался так высоко! Среди остальных широкополосных переключателей следует отметить также PE42522, который работоспособен до 26.5 ГГц и PE42542/PE42543 — до 18 ГГц.
PE423422 — SPDT переключатель 100-6000 МГц с расширенным температурным диапазоном -40°…+105°С по автомобильному стандарту AEQ100 Grade2 (105°С). Потери – 0.25 дБ @ 1 ГГц, изоляция 41 дБ @ 1 ГГц; для 6 ГГц -0.9 дБ и 16 дБ соответственно.
PE42920 – сдвоенный дифференциальный переключатель 10 – 6000 МГц. Потери – 1 дБ @ 1 ГГц, изоляция 26 дБ в том же канале и 30 дБ – между разными каналами. Имеет встроенную защиту от электростатики 2 кВ (HBM). Потребляет всего лишь 100 мкА @ 3.3 В
2.Цифровые аттенюаторы (DSA)
Гражданская линейка содержит более 20 микросхем PE43XXX, как 50-ти, так и 75-ти Ом-ных. Верхним в линейке продуктом является PE43705 с диапазоном рабочих частот от 9кГц до 8 ГГц, вносимым ослаблением до 31.75 дБ с минимальным шагом 0.25 дБ, что соответствует 128 комбинациям или 7-ми битному управлению.
Для высоконадежных применений выпускается лишь PE94302 с диапазоном рабочих частот 0.25-4000 МГц, вносимым ослаблением до 31.5 дБ с минимальным шагом 0.5 дБ, что соответствует 6-ти битному управлению.
Одним из недостатков цифровых аттенюаторов являются выбросы в момент их переключения, из-за несинхронной работы внутренних ключей. Фирма «Peregrine Semiconductor» разработала семейство аттенюаторов PE43711/PE43712/PE43713 (glitchless), которое практически полностью свободно от этого недостатка. Вдобавок, эти микросхемы совместимы по выводам с предыдущими поколениями цифровых аттенюаторов, что позволяет легко произвести их замену.
3. Конденсаторы перестраиваемые цифрой (DTC) и настроечные переключатели (TCS).
В своем роде уникальные микросхемы. Линейка DTC содержит 8 микросхем PE64X0X с диапазоном рабочих частот 100-3000 МГц. Такая микросхема содержит набор переключаемых конденсаторов с 4-х или 5-ти битным управлением, что дает 16 или 32 различных состояния. Максимальный диапазон емкости: 1.88-14 пФ с шагом 391 фемтофарад, минимальный: 0.6-2.35 пФ с шагом 117 фемтофарад. Управляются эти микросхемы по SPI или I2C интерфейсу. Их удобно использовать для перестройки антенн, подстройки, коррекции и оптимизации различных СВЧ цепей.
Настроечные переключатели (TCS) PE613010/PE613050 предназначены для коммутации внешних цепей коррекции для тех же частот.
4. Ограничители мощности (Power Limiters)
Используются для защиты чувствительных цепей в импульсных системах. Производится два ограничителя. Топовый PE45450 имеет диапазон рабочих частот от 9 кГц до 6 ГГц и порог ограничения 25-35 дБм. Характеризуются высокой линейностью по входу IP3 = 70 дБм @ 915 МГц. Постоянная допустимая мощность – 10 Вт, импульсная – 50 Вт. Имеет встроенную защиту от электростатики 8 кВ (HBM). Важное преимущество, помимо регулируемого порога ограничения — высокая скорость реакции – порядка 1 нс!
5. Смесители (Mixers)
Текущая линейка состоит из 5-ти микросхем. В настоящий момент наиболее высокочастотным является смеситель с подавлением зеркальной составляющей PE41901 для диапазона частот 10-19 ГГц. Потери преобразования составляют 8 дБ при мощности гетеродина 17 дБм, промежуточная частота составляет 0-4 ГГц. Имеет встроенную защиту от электростатики 1 кВ (HBM). Микросхема полностью совместима по выводам со смесителями HMC527LC4 (8.5-13.5ГГц) и HMC528LC4 (11-16ГГц) производства фирмы ADI (Hittite).
6. Предделители частоты (Prescalers)
Для гражданского рынка производится лишь PE35400 – делитель на 4 для частот 3-13.5 ГГц в виде кристалла. Остальные 7 микросхем – делители на 2, 4 и 8 до 13.5 ГГц предназначены для высоконадежного рынка.
7. Микросхемы ФАПЧ (PLL)
Для гражданского рынка производится лишь PE83336: целочисленный ФАПЧ для частот 0.5-3 ГГц. Точнее, это микросхема в керамическом корпусе CQFJ -44 и военного диапазона температур -55..+125°С
Остальные 11 микросхем — 3 дробных и 8 целочисленных ФАПЧ — предназначены для высоконадежного рынка. Лучшими параметрами в своем классе обладает целочисленный радстойкий ФАПЧ PE97240: рабочая частота 800-5000 МГц, опорная частота 100 МГц, нормированные фазовые шумы -230 дБн/Гц. Микросхема производится в керамическом корпусе CQFP -44. Ее типовые фазовые шумы на частоте 3 ГГц (питание 2.7 В, предделитель 5/6, +25 градусов С, полоса фильтрации 500 кГц) показаны ниже.
8. Фазовращатели и Монолитные Контроллеры Амплитуды и Фазы (MPAC)
Этим микросхемам посвящена обзорная статья. На данный момент фазовращатель выпускается только один: PE44820 — для диапазона частот 1.7-2.2 ГГц, который перекрывает все 360° с разрешением по фазе 1.4°. При работе в узкой полосе он может использоваться для частот 1-3 ГГц.
MPAC’и – это 3-и более сложные микросхемы PE461X0 для построения составных усилителей Doherty и PE19601 которая предназначена для использования в антенных решетках и измерительном оборудовании. PE46120/PE46130/PE46140 работают в частотных диапазонах 1.8-2.2/2.3-2.7/3.4-3.8 ГГц соответственно и помимо фазовращателя, который перекрывает 90° с шагом 2.8° содержат еще и аттенюатор 7.5 дБ с шагом 0.5 дБ. PE19601 помимо фазовращателя, который перекрывает 360° с шагом 5.6° и аттенюатора 31.5 дБ с шагом 0.5 дБ содержит еще и переключатели для разных режимов работы. Эта микросхема работает в частотном диапазоне 8-12 ГГц (X-band).
9. Микросхемы для преобразования мощности (Power Management)
Сюда относятся высокоэффективные (выше 93%) преобразователи напряжения для высоконадежного рынка PE99151/PE99152/PE99153 на 2/6/10 А соответственно. Они используются для вторичного электропитания вычислителей ( FPGA , DSP ). Входное напряжение для всех преобразователей 4.6-6 В, выходное 1-3.6 В. Микросхемы выпускаются либо в корпусе CQFP-32, либо в форме кристалла (суффикс DIE).
Для гражданского рынка выпускается самый быстрый в мире драйвер полевого транзистора GaN PE29100. Он выпускается в корпусе flip-chip размером 2х1.6 мм, имеет частоту переключения 33 МГц, задержку распространения 8 нс и время включения/выключения 1 нс.
Для всех изделий фирма «Peregrine Semiconductor» производит демонстрационные платы ( EVK ). На сайте компании размещены также дополнительные материалы по каждой микросхеме: схемы и перечень элементов EVK, S2P файлы, рекомендации по применению ( AN ), декларация о материалах.
Компания публикует список снимаемых в текущем году и уже снятых с производства микросхем (Discontinued Products).
Фирма «Peregrine Semiconductor» имеет сертификаты AS9100C, ISO9001:2008, ISO/TS16949:2009 и уделяет большое внимание качеству выпускаемой продукции. На сайте компании существует соответствующий раздел, где публикуется «Ежеквартальный Отчет о Качестве» (Quarterly Reliability Report), который содержит данные об уровне отказов: EDH , FIT , MTTF как по разным технологиям, так и по группам микросхем.
Фирма «Peregrine Semiconductor» развивается, расширяя номенклатуру изделий и совершенствуя технологию, идя по пути уменьшения проектных норм и увеличения рабочих частот. Начиналось все с технологии UltraCMOS2 и проектных норм 500 нм, современная СВЧ технология UltraCMOS11 использует проектные нормы 130 нм и пластины диаметром 300 мм. Применение лишь широко распространенных химических элементов: Si и Al, делает ее недорогой и перспективной.
- Блог компании ЭФО
- Разработка систем связи
- FPGA
- Разработка для интернета вещей