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?

Hem n-kanal (NMOS) hem de p-kanal (PMOS) MOSFET’ler (MOS Alan Etkili transistörler), P-MOS ve N-MOS ailelerine göre çeşitli avantajlar elde etmek için aynı devrede birlikte kullanılır. Bu teknoloji artık hakim durumda çünkü diğer MOS ailelerinden daha hızlı ve daha az güç tüketiyor.

Bu avantajlar, IC üretim sürecinin yüksek karmaşıklığı ve daha düşük entegrasyon yoğunluğu ile bir miktar gölgede kalmaktadır. Bu nedenle, LSI’da en son sürümü gerektiren uygulamalarda hala MOS ile rekabet edemez.

Özellikleri

1) Şarj Faktörü

N-MOS ve P-MOS gibi CMOS da sinyal kaynağından neredeyse hiç akım çekmeyen son derece büyük bir giriş direncine (10 * 12Ω) sahiptir. Her giriş genellikle 5pF toprak yükünü temsil eder. Giriş kapasitansı nedeniyle, tek bir çıkışı ile işlenebilen girişlerin sayısı sınırlıdır.

Bu nedenle, yük faktörü izin verilen maksimum yayılma gecikmesine bağlıdır. Genellikle bu yük faktörü düşük frekanslar için 50’dir (<1 MHz). Tabii ki yüksek frekanslar için yük faktörü azalır.

CMOS çıkışı, her bir giriş kapasitansının paralel kombinasyonunu şarj etmek ve boşaltmak zorundadır. Böylece çıkış anahtarlama süresi, sürülen yük sayısı ile orantılı olarak artar. Yani, her yük, devre yayılımının iletim gecikmesini 3 ns artırır. Böylece, yük faktörünün izin verilen maksimum yayılma gecikmesine bağlı olduğu sonucuna varabiliriz.

2) Anahtarlama Hızı

N-MOS ve P-MOS gibi nispeten büyük yük kapasitansları kullanmak zorundadır. Her durumda düşük çıkış direnci nedeniyle anahtarlama hızı daha yüksektir. Bir N-MOS çıkışının yük kapasitansını nispeten büyük bir dirençle (100 k Ω) yüklemesi gerektiğini hatırlayın.

CMOS devresinde, YÜKSEK durumdaki çıkış direnci, genellikle 1 k Ω veya daha düşük olan P-MOSFET’in RON değeridir. Bu, şarj kapasitansının daha hızlı şarj edilmesini sağlar. Anahtarlama hızı değerleri, örneğin 4000 serisi NAND geçidinde kullanılan besleme voltajına bağlıdır. Böylelikle yayılma süresi VDD = 5 V için 50 ns ve VDD = 10 V için 25ns’dir.

Gördüğümüz gibi, VDD daha büyük olsa da daha yüksek frekanslarda çalışabiliriz. Tabii ki, VDD büyüdükçe güç kaybı da artar. Bir 74HC veya 7411CT serisi NAND geçidinin, VDD = 5V ile çalışırken ortalama 8 ns civarında tpd’si vardır. Bu hız, 74LS serisinin hızıyla karşılaştırılabilir.

3) Güç Dağılımı

Güç dağılımını bir TTL geçidinin frekansının çalışma aralığı içinde sabit bir fonksiyon olarak görebiliriz. Bunun yerine, CMOS geçidinde, frekansa bağlıdır.

DC durumunda DCOS CI’nin güç kaybı çok düşük olacaktır. Ne yazık ki, PD her zaman devrelerin durumunu değiştirme sıklığı ile orantılı olarak büyüyecektir. Bir çıkış DÜŞÜK’ten YÜKSEK’e her gittiğinde, yük kapasitansına anlık bir salınımlı yük akımı sağlanmalıdır.

Bu kapasitans, yürütülen kombine yüklerin giriş kapasitelerinden ve cihazın kendi çıkış kapasitansından oluşur. Bu kısa akım pimleri VDD tarafından sağlanır. Dahası, 5 mA normal genliğe ve 20 ila 30 ns süreye sahip olabilir.

Anahtarlama frekansı arttıkça, saniyede bu akım artışlarından daha fazla olacaktır. Ancak ortalama VDD akım tüketimi artacaktır. Bu nedenle, yüksek frekanslarda, diğer mantık ailelerine göre bazı avantajlarını kaybetmeye başlar.

Genel bir kural olarak, bir geçit, yaklaşık dc 2 ila 3 MHz civarındaki frekanslarda ortalama 74LS geçidi ile aynı PD’ye sahip olacaktır. CI MSI için durum, burada ifade edilenden daha karmaşıktır ve mantıksal bir tasarımcı, CMOS’un belirli bir çalışma frekansında güç kaybı açısından bir avantajı olup olmadığını belirlemek için ayrıntılı bir analiz yapmalıdır.

4) Besleme Gerilimi

TTL bipolar devreler, sadece küçük bir sapmayı tolere eden volt güç kaynağı gerektirir. Devreler ise HC ve AC serisi için +2 ila +6 volt ve 4000 ve 74CXX serisi için +3 ila +15 volt arasında daha büyük bir güç aralığına izin verir.

Bununla birlikte, iki CMOS serisi vardır, HCT ve ACT, TTL devreleriyle uyumlu olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle +5 voltluk bir besleme gerektirir.

5) Giriş Seviyeleri

Bir TTL girişi L (düşük) durumundayken, L Sinyali üreten devreye akım sağlar (LS serisi için tipik olarak 0,25 mA).

TTL kapılarına diğer devre türlerini beslerken bu dikkate alınmalıdır. Tersine, bir CMOS devresinde, giriş akımı yoktur. Çıkışta bir değişikliğe neden olmak için bir TTL geçidinde gereken giriş eşiği yaklaşık iki diyot kopmasıdır. Bununla birlikte, bu eşik, tipik olarak güç kaynağının 1/3’ü ile 2/3’ü arasında önemli bir dağılım gösteren yaklaşık bir güç kaynağının yaklaşık yarısıdır.

TTL’lerle uyumlu HCT ve ACT aileleri, TTL’lere benzer şekilde düşük bir giriş eşiğine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Gördüğümüz gibi, bunun nedeni TTL devrelerinde H (yüksek) çıkışın +5 volta ulaşmamasıdır.

CMOS girişleri, kullanım sırasında statik elektrikten gelen kalıcı hasara karşı hassastır. Kullanılmayan girişler H veya La’ya uygun şekilde bağlanmalıdır.

CMOS ve TTL Aileleri Arasındaki Farklar

Her iki aile arasındaki en önemli farklar;

1. Entegre devrelerin üretiminde, TTL için bipolar transistörler ve CMOS teknolojisi için MOSFET transistörler kullanılır.
2. Kompakt MOSFET transistörleri nedeniyle çok daha az yer gerektirir. Dahası, yüksek entegrasyon yoğunlukları nedeniyle, LSI’larda büyük bellekler, hesap makinesi IC’leri, mikroişlemciler ve VLSI’larda büyük ölçekli entegrasyon alanındaki bipolar IC’lerden daha iyi performans gösterir.
3. Entegre devrelerin TTL’lerden daha düşük güç tüketimi vardır.
4. Çalışma hızında TTL’lerden daha yavaştır.
5. TTL’lerden daha yüksek gürültü bağışıklığına sahiptir.
6. TTL’lerden daha büyük bir voltaj aralığına ve daha yüksek bir yük faktörüne sahiptir.

Özetle şunu söyleyebiliriz: TTL: yüksek hız için tasarlandı. CMOS, düşük tüketim için tasarlanmıştır. Şu anda, bu iki aile içinde, her ikisinin de en iyisini elde etmeye çalışan diğerleri yaratılmıştır. Yani, düşük tüketim ve yüksek hızdır. ECL mantık ailesi TTL ve CMOS arasındadır. Bu aile, TTL hızına ve düşük CMOS tüketimine ulaşmak için doğmuştu, ancak nadiren kullanılıyor.

TTL’ye Göre Avantajları

MSI alanında, öncelikle doğrudan rekabet ettiği TTL pahasına istikrarlı bir şekilde büyümeye başladı.

Üretim süreci, TTL’den daha basittir ve daha yüksek bir entegrasyon yoğunluğuna sahiptir. Bu da belirli bir alt tabaka alanında daha fazla devrenin olmasını sağlar ve işlev başına maliyeti azaltır. CMOS’un en büyük avantajı, düşük güçlü TTL serisi için gereken gücün yalnızca bir kısmını kullanmalarıdır. Bu, bir pilin gücünü kullanan veya bir pilin üzerinde duran uygulamalar için idealdir.

Dezavantajı, TTL ailesinden daha yavaş olmasıdır. Ancak 1983’te çıkan yeni HCMOS yüksek hızlı serisi, hız ve mevcut kullanılabilirlik açısından ve daha düşük seviyelerde gelişmiş bipolar serisi ile rekabet edebilir.

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. Bu nedenle, 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. Bu nedenle, veri dönüştürücüler ve ses amplifikatörleri için idealdir. Ayrıca, düşük güç tüketimini korur.
• Düşük Gürültülü Amplifikatörler: Düşük gürültü özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, kablosuz iletişim cihazları ve tıbbi sensörler için uygundur. Ayrıca, 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.