CMOS Nedir?

CMOS veya MOS kapıları (Complementary Metal-Oxide Semiconductor/Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken), çıkış devresinde TTL ailesi totem direğine benzer bir konfigürasyonda iki tip transistörün kullanılmasını ifade eder.

CMOS (Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken) Nedir?

Devrelerde hem n-kanallı (NMOS) hem de p-kanallı (PMOS) MOSFET’ler birlikte kullanılır. Bu kombinasyon birçok avantaj sunar. İlk olarak, diğer MOS teknolojilerine göre daha hızlıdır. Ayrıca, daha az güç tüketir.

Ancak, bu avantajların bazı dezavantajları da vardır. IC üretim süreci karmaşıktır. Ayrıca, entegrasyon yoğunluğu daha düşüktür. Bu nedenle, bu teknoloji yüksek yoğunluklu LSI uygulamalarında standart MOS ile rekabet edemez.

CMOS Özellikleri

1) Şarj Faktörü

CMOS, N-MOS ve P-MOS gibi yüksek giriş direncine sahiptir. Bu direnç yaklaşık 10 * 12Ω’dur ve sinyal kaynağından minimum akım çeker. Her giriş tipik olarak toprağa 5pF yük sunar. Bu giriş kapasitansı nedeniyle, tek bir çıkış yalnızca sınırlı sayıda girişi işleyebilir.

Sonra, yük faktörü izin verilen maksimum yayılma gecikmesi ile ilgilidir. Genellikle, bu yük faktörü 1 MHz’nin altındaki düşük frekanslar için 50’dir. Ancak, bu faktör daha yüksek frekanslarda azalır.

Ek olarak, CMOS çıkışı toplam giriş kapasitansını şarj etmeli ve boşaltmalıdır. Bundan dolayı, daha fazla yük sürüldükçe, çıkış anahtarlama süresi artar. Eklenen her yük, iletim gecikmesini üç nanosaniye artırır. Sonuçta, yük faktörü çok önemlidir ve izin verilen maksimum yayılma gecikmesine bağlıdır.

2) Anahtarlama Hızı

CMOS devreleri, N-MOS ve P-MOS transistörleri kullanarak büyük yük kapasitanslarına dayanır. Düşük çıkış direnci sayesinde daha yüksek anahtarlama hızları elde edilir. Örneğin, bir N-MOS çıkışı, 100 kΩ dirençle kapasitansı yüklemelidir.

YÜKSEK durumda, çıkış direnci P-MOSFET’in RON değerine bağlıdır. Bu değer genellikle 1 kΩ veya daha azdır, bu da kapasitans şarjını hızlandırır. Anahtarlama hızı ayrıca besleme voltajına da bağlıdır. Örneğin, 4000 serisi NAND kapısında, yayılma süresi VDD = 5 V’da 50 ns ve VDD = 10 V’da 25 ns’dir.

Böylece, daha büyük bir VDD ile bile daha yüksek frekanslarda çalışabiliriz. Ancak, VDD’nin artırılması güç kaybını artırır. 74HC veya 7411CT serisi NAND kapısı, VDD = 5 V’da ortalama 8 ns tpd değerine sahiptir. Bu hız, 74LS serisinin hızına benzerdir.

Translated with DeepL.com (free version)

3) Güç Dağılımı

Güç kaybı, TTL ve CMOS kapılarında farklı şekilde davranır. TTL kapılarında, çalışma aralığı boyunca sabit kalır. Ancak CMOS kapılarında, frekansla birlikte değişir.

DC senaryosunda, bir DCOS CI çok düşük güç kaybı gösterir. Ancak, güç tüketimi frekansla birlikte artar. Bir çıkış LOW’dan HIGH’a her geçişinde, tepe akımına ihtiyaç duyar. Bu akım, yük kapasitansını geçici olarak şarj eder.

Yük kapasitansı, sürülen yüklerin giriş kapasitanslarını içerir. Ayrıca, cihazın çıkış kapasitansından da oluşur. Güç kaynağı VDD, bu kısa akım patlamalarını sağlar. Yani, ortalama akım 5 mA’ya ulaşabilir ve 20 ila 30 ns sürer.

Anahtarlama frekansı arttıkça, her saniye daha fazla akım artışı meydana gelir. Kısacası, ortalama VDD akımı yükselir. Böylece, yüksek frekanslarda CMOS, diğer mantık ailelerine göre bazı avantajlarını kaybeder.

Genel olarak, bir CMOS kapısının güç kaybı, 2 ila 3 MHz’de bir 74LS kapısının güç kaybıyla eşleşir. Ancak, CI MSI durumları daha karmaşıktır. Mantık tasarımcısı dikkatli bir analiz yapmalıdır. CMOS’un belirli frekanslarda güç kaybı avantajı sunup sunmadığını belirlemelidir.

4) Besleme Gerilimi

TTL bipolar devreler, minimum sapma ile bir voltaj güç kaynağına ihtiyaç duyar. Bu devreler daha geniş bir güç aralığını destekler. HC ve AC serileri için aralık +2 ila +6 volt arasındadır. 4000 ve 74CXX serileri için ise +3 ila +15 volt arasındadır.

İlginç bir şekilde, iki CMOS serisi vardır: HCT ve ACT. Bu seriler, TTL devreleriyle uyumlu olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu sebeple, +5 voltluk bir güç kaynağı gerektirirler.

5) Giriş Seviyeleri

TTL girişi düşük olduğunda, devreye akım sağlar. Çoğunlukla, bu akım LS serisi için yaklaşık 0,25 mA’dır. Diğer devreleri TTL kapılarına bağlarken bunu dikkate almalısınız. Buna karşılık, CMOS devreleri giriş akımı çekmez.

TTL kapısının çıkışını değiştirmesi için gereken eşik, yaklaşık iki diyot düşüşüdür. Bu eşik, güç kaynağının voltajının yaklaşık yarısı kadardır. Genellikle, bu durum kaynağın üçte biri ile üçte ikisi arasında önemli bir güç kaybına neden olur.

HCT ve ACT aileleri TTL’lerle uyumludur. TTL’lere benzer düşük giriş eşiklerine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. TTL yüksek çıkışları +5 volta ulaşmadığından, bu tasarım seçimi önemlidir.

Ayrıca, CMOS girişleri statik elektrik hasarına karşı hassastır. Kullanılmayan girişleri uygun şekilde H veya La’ya bağlayın.

CMOS ve TTL Aileleri Arasındaki Farklar

Entegre devre üretiminde, TTL için bipolar transistörler kullanılır. Diğer yandan, CMOS teknolojisi için MOSFET transistörler kullanılır.

MOSFET’ler kompakt oldukları için daha az yer kaplarlar. Artı, yüksek entegrasyon yoğunluğuna sahiptirler. Bu, büyük ölçekli entegrasyonda bipolar IC’lerden daha iyi performans göstermelerini sağlar.

Örnekler arasında LSI’lar, önemli bellekler, hesap makinesi IC’leri, mikroişlemciler ve VLSI’lar sayılabilir.

Ayrıca, entegre devreler TTL’lerden daha az enerji harcar. Ancak, daha yavaş hızda çalışırlar. Olumlu tarafı, TTL’lerden daha yüksek gürültü bağışıklığı sunmalarıdır. Son olarak, daha geniş bir voltaj aralığı ve daha yüksek bir yük faktörü sağlarlar.

Özetle, TTL yüksek hız için üretilmiştir. Öte yandan, CMOS düşük güç tüketimine odaklanır. Günümüzde, her iki özelliği bir araya getiren yeni aileler ortaya çıkmıştır.

Bunlar, düşük enerji kullanımı ve yüksek hız hedefler. ECL mantık ailesi, TTL ve CMOS arasında yer alır. TTL’nin hızını ve CMOS’un verimliliğini elde etmek için geliştirilmiştir. Ancak, ECL pratikte nadiren kullanılır.

TTL’ye Göre Avantajları

MSI alanı, çoğunlukla TTL’nin aleyhine olmak üzere istikrarlı bir şekilde büyüdü. Birkaç avantaj sunarak TTL ile doğrudan rekabet etti. İlk olarak, üretim süreci TTL’den daha basittir. Bu, daha yüksek entegrasyon yoğunluğuna yol açar. Özetle, bir alt tabakaya daha fazla devre sığar ve bu da işlev başına maliyeti düşürür.

Ayrıca, CMOS düşük güçlü TTL’den çok daha verimli çalışır. Bu özellik, pille çalışan uygulamalar için mükemmeldir. Ancak CMOS’un bir dezavantajı vardır; TTL ailesinden daha yavaştır.

Neyse ki, 1983 yılında HCMOS yüksek hızlı serisi ortaya çıktı. Bu yeni seri, hız ve akım verimliliği açısından gelişmiş bipolar serilerle rekabet edebilir. Genel olarak, CMOS teknolojisi modern uygulamalar için önemli avantajlar sunar.

CMOS Teknolojisinin Kullanım Alanları

CMOS teknolojisi, diğer mantık ailelerine göre birçok avantaja sahiptir. Ayrıca, çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılır.

• Düşük Güç Tüketimi: CMOS, düşük güç tüketimiyle bilinir. Bu nedenle, cep telefonları ve IoT cihazları için idealdir. Ayrıca, pil ömrünü uzatmak için mükemmeldir.
• Yüksek Hızlı Entegre Devreler: Bu entegre, yüksek hızda çalışabilir. Mikroişlemciler ve dijital sinyal işlemcileri için uygundur. Ayrıca, yüksek hızlı iletişim cihazlarında da kullanılır.
• Analog ve Karma Sinyal Devreleri: Analog ve dijital işlevleri entegre edebilir. Veri dönüştürücüler ve ses amplifikatörleri içindir. Ayrıca, düşük güç tüketimini korur.
• Düşük Gürültülü Amplifikatörler: Düşük gürültü özelliklerine sahiptir. Yani, kablosuz iletişim cihazları ve tıbbi sensörler için daha iyidir. Böylece, yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda kullanılır.

Sonuç olarak, CMOS teknolojisi çeşitli avantajlar sunar. Düşük güç tüketimi, yüksek hız ve düşük gürültü özellikleriyle öne çıkar. Bu nedenle, birçok uygulamada mükemmel bir tercihtir.