КМОП | это... Что такое КМОП? (original) (raw)
Статический КМОП инвертор
КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-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.
Содержание
История
Схемы 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.
Технология
Схема логического элемента выполняющего логическую функцию 2И-НЕ
Схема 2И-НЕ
Для 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
- На КМОП-транзисторах (CMOS):
- 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.
Примечания
- ↑ Часто в советских книгах по микроэлектронике встречается такая аббревиатура, означающая Комплементарные Металл-Диэлектрик-Полупроводник транзисторы
См. также
- КМОП-матрица
- SRAM (память)
- Логические элементы
- Микросхемы серии 4000
- Микросхемы серии 7400 сменили технологию с ТТЛ на КМОП
Литература
- Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 912. — ISBN 0-13-090996-3
- Точчи, Рональд, Дж., Уидмер, Нил, С. Цифровые системы. Теория и практика = Digital Systems: Principles and Applications. — 8-е изд. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 1024. — ISBN 5-8459-0586-9
- Справочник по низкочастотным КМОП микросхемам
- Справочник по стандартным цифровым КМОП микросхемам
- Микросхемы ТТЛ и КМОП. Справочник
- Микросхемы КМОП — идеальное семейство логических схем. Перевод статьи
- [1]
 Микросхемы, производившиеся в СССР |
|
|---|---|
| Технологии | РТЛ • ДТЛ • ТТЛ • ЭСЛ • N-МОП • КМОП • И3Л |
| Системаобозначения поГОСТ 18682-73 | Конструктивно-технологическоеисполнение 1; 5; 7 — полупроводниковая • 2; 4; 6; 8 — гибридная • 3 — прочие Серия 100 • 101 • 104 • 106 • 108 • 109 • 110 • 113 • 114 • 115 • 118 • 119 • 120 • 121 • 122 • 123 • 124 • 128 • 129 • 130 • 131 • 133 • 134 • 136 • 137 • 138 • 140 • 141 • 142 • 144 • 146 • 149 • 153 • 155 • 157 • 158 • 159 • 162 • 166 • 167 • 172 • 173 • 174 • 176 • 177 • 178 • 187 • 190 • 198 • 201 • 204 • 210 • 217 • 218 • 223 • 224 • 226 • 228 • 229 • 230 • 237 • 243 • 264 • 265 • 284 • 504 • 511 • 580 • 1801 • 1810 • 1839 Выполняемаяфункция Вторичные источники питания — Е Выпрямители ЕВ • Преобразователи ЕМ • Стабилизаторы: напряжения ЕН • тока ЕТ • Прочие ЕП Генераторы сигналов — Г Гармонических ГС • Прямоугольных (мультивибраторы) ГГ • Линейно-изменяющихся ГЛ • Специальной формы ГФ • Шума ГМ • Прочие ГП Детекторы — Д Амплитудные ДА • Импульсные ДИ • Частотные ДС • Фазовые ДФ • Прочие ДП Коммутаторы и ключи — К Тока КТ • Напряжения КН • Прочие КП Логические элементы — Л И ЛИ • ИЛИ ЛЛ • НЕ ЛН • И-ИЛИ ЛС • И-НЕ/ИЛИ-НЕ ЛБ • И-ИЛИ-НЕ ЛР • И-ИЛИ-НЕ/И-НЕ ЛК • ИЛИ-НЕ/ИЛИ ЛМ • Расширители ЛД • Прочие ЛП Микросборки,наборы элементов — Н Диодов НД • Транзисторов НТ • Резисторов НР • Конденсаторов НЕ • Комбинированные НК • Прочие НП Многофункциональныемикросхемы — Х Аналоговые ХА • Цифровые ХЛ • Комбинированные ХК • Прочие ХП Модуляторы — М Амплитудные МА • Частотные МС • Фазовые МФ • Импульсные МИ • Прочие МП Преобразователи — П Частоты ПС • Фазы ПФ • Длительности ПД • Напряжения ПН • Мощности ПМ • Уровня (согласователи) ПУ • Код-аналог ПА • Аналог-код ПВ • Код-код ПР • Прочие ПП Схемы задержки — Б Пассивные БМ • Активные БР • Прочие БП Схемы селекциии сравнения — С Амплитудные (уровня сигнала) СА • Временные СВ • Частотные СС • Фазовые СВ • Прочие СП Триггеры — Т JK-типа ТВ • RS-типа (с раздельным запуском) ТР • D-типа ТМ • T-типа ТТ • Динамические ТД • Шмитта ТЛ • Комбинированные ТК • Прочие ТП Усилители — У Высокой частоты УВ • Промежуточной частоты УР • Низкой частоты УН • Импульсных сигналов УИ • Повторители УЕ • Считывания и воспроизведения УЛ • Индикации УМ • Постоянного тока УТ • Операционные и дифференциальные УД • Прочие УП Фильтры — Ф Верхних частот ФВ • Нижних частот ФН • Полосовые ФЕ • Режекторные ФР • Прочие ФП Формирователи — А Импульсов прямоугольной формы АГ • Адресных токов (формирователи напряжений и токов) АА • Импульсов специальной формы АФ • Разрядных токов (формирователи напряжений и токов) АР • Прочие АП Элементыарифметическихустройств — И Регистры ИР • Сумматоры ИМ • Полусумматоры ИЛ • Счётчики ИЕ • Шифраторы ИВ • Дешифраторы ИД • Комбинированные ИК • Прочие ИП Элементы запоминающих устройств — Р Матрицы-накопители ОЗУ РМ • Матрицы-накопители ПЗУ РВ • Матрицы-накопители ОЗУ со схемами управления РУ • Матрицы-накопители ПЗУ со схемами управления РЕ • ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием РФ • Матрицы различного назначения РП |
| Тип корпуса(ГОСТ 17467-72) | Тип 1 • Тип 2 • Тип 3 • Тип 4 • |
| Производители | Ангстрем • Алмаз • ВНИИС • ЕРЗ • ИРЗ • Интеграл • Полёт • МНИИПА • НИИЭТ • МЦСТ |