CMOS, ou semicondutor de óxido metálico complementar, é um componente crucial em vários dispositivos eletrônicos, principalmente em computadores. Este artigo tem como objetivo fornecer uma compreensão abrangente do CMOS, sua história, funções, aplicativos e conceitos relacionados.
Introdução ao CMOS
O que é CMOS?
CMOS significa Complementary Metal Oxide Semiconductor, uma tecnologia que utiliza pares de tipo P e tipo NMOSFETs (transistores de efeito de campo de semicondutores de óxido metálico)Para funções lógicas. Esta tecnologia é amplamente utilizada na construção de circuitos integrados (ICS), incluindo microprocessadores, microcontroladores, chips de memória e circuitos lógicos digitais.
Características dos dispositivos CMOS
Duas características significativas dos dispositivos CMOS são a imunidade de alto ruído e o baixo consumo de energia estática. Uma vez que um transistor do par MOSFET está sempre desligado, a combinação em série extrai uma potência significativa apenas momentaneamente durante a comutação entre os estados ON e OFF. Como resultado, os dispositivos CMOS geram menos calor residual em comparação com outras formas de lógica, comoNMOSlógica ouLógica do transistor-transistor (TTL). Essas características permitem que o CMOs integre uma alta densidade de funções lógicas em um chip, tornando-o o processo dominante de fabricação de MOSFET para chips de integração muito grande (VLSI).
História do CMO
Origens e desenvolvimento
O conceito de simetria complementar foi introduzido pela primeira vez por George Sziklai em 1953. No entanto, o processo CMOS foi concebido por Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor e apresentado por Wanlass e Chih-Tang Sah no International Conferência de Circuitos de Estado Sólido em 1963. Wanlass posteriormente registrou uma patente americana para os circuitos CMOS, concedida em 1967.
Comercialização e adoção
A RCA comercializou a tecnologia com a marca “COS-MOS” no final dos anos 1960, forçando outros fabricantes a encontrarem outro nome, fazendo com que “CMOS” se tornasse o nome padrão da tecnologia no início dos anos 1970. O CMOS ultrapassou a lógica NMOS como o processo de fabricação dominante de MOSFET para chips VLSI na década de 1980, substituindo também a tecnologia anterior de transistor-transistor de lógica (TTL).
Na década de 1990, tecnologias de processo mais avançadas, como STI e salicídio (silicidas metálicos) foram aplicadas à tecnologia de processo CMOS. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de processo, o tamanho dos recursos dos dispositivos CMOS foi gradualmente reduzido em proporção. A velocidade de trabalho do circuito integrado do processo CMOS é continuamente aprimorada e, ao mesmo tempo, uma tensão de alimentação mais baixa pode ser selecionada e o desempenho do circuito integrado do processo CMOS pode competir com o circuito integrado do processo bipolar.
No século 21, com o rápido desenvolvimento da tecnologia de processo CMOS, destacaram-se as vantagens dos circuitos integrados do processo CMOS, como alta integração, forte capacidade anti-interferência, alta velocidade, baixo consumo de energia estática, ampla gama de tensão da fonte de alimentação avançar aos trancos e barrancos. Devido às vantagens da tecnologia de processo CMOS em muitos aspectos, ela se tornou a tecnologia preferida para circuitos digitais, circuitos analógicos e circuitos híbridos analógicos digitais. Em 2011, 99% dos chips IC, incluindo a maioria dos ICs digitais, analógicos e de sinal misto, foram fabricados com a tecnologia CMOS.
Processo CMOS
O CMOS é fabricar NMOS ePMOno mesmo chip para formar um circuito integrado. A tecnologia de processo CMOS usa circuitos simétricos complementares para configurar e conectar PMOs e NMOS para formar um circuito lógico. O consumo de energia estática deste circuito é quase zero. Esta teoria pode resolver bem o problema do consumo de energia, esta descoberta estabeleceu uma base teórica para o desenvolvimento da tecnologia de processo CMOS.
Circuito do inversor CMOS
A figura abaixo mostra um circuito inversor CMOS composto por PMOs e NMOS, somente quando a porta de entrada muda de baixo nível (VSS) para alto nível (VDD) ou de alto nível (VDD) para baixo (VSS) no momento da transição, NMOS e PMOS será ativado ao mesmo tempo e uma corrente será gerada entre VDD e VSS, gerando assim o consumo de energia. Quando a porta de entrada é de baixo nível, apenas o PMOS é ativado e quando a porta de entrada é de alto nível, apenas o NMOS é ligado e nenhuma corrente será gerada entre o VDD e o VSS, portanto, o consumo de energia estática é zero.
Estrutura da trava do CMOS
A figura a seguir mostra a estrutura de trava parasitária do PNPN no circuito do inversor CMOS. Quando houver ruído na porta de saída, isso causará o bipolar parasitárioTransistor PNPou NPN para conduzir e então formar uma corrente de condução para fluir através do resistor RP ou RN feedback positivo, fazendo com que outro transistor bipolar parasitário seja ligado e, neste momento, os dois transistores bipolares parasitas são ligados ao mesmo tempo. Tempo para formar um caminho de baixa impedância de travamento, que queima o chip. As vantagens da tecnologia de processo CMOS são pequena dissipação de energia e grande tolerância a ruídos, portanto, a tecnologia inicial de processos CMOS é usada principalmente em campos eletrônicos, como brinquedos, relógios e calculadoras que podem tolerar velocidades mais lentas.
CMOS em computadores
Memória CMOS
Em computadores, o CMOS refere-se a uma pequena quantidade de memória na placa-mãe que armazena as configurações do BIOS (Basic Input Output System). Esta memória contém informações essenciais, incluindo a hora e a data do sistema, bem como as configurações de hardware.
Bateria CMOS
A memória CMOS é alimentada por uma bateria, normalmente uma célula CR2032 do tamanho de uma moeda, que fornece energia constante ao chip. Esta bateria garante que o CMOS retenha seus dados mesmo quando o computador está desligado. Uma bateria CMOS geralmente dura cerca de 10 anos, mas pode precisar ser substituída, dependendo do uso e do ambiente do computador.
Limpando o CMOS
Limpar o CMOS envolve redefinir as configurações do BIOS para seus níveis padrão, o que pode ser uma etapa útil para solução de problemas para vários problemas do computador. Esse processo geralmente é necessário se o computador experimentar o congelamento, as mensagens de erro relacionadas ao hardware ou a falha da bateria do CMOS.
Aplicativos CMOS
Circuitos analógicos
A tecnologia CMOS também é usada em circuitos analógicos, como sensores de imagem, conversores de dados,Circuitos RF (Radio Frequência)e transceptores altamente integrados para diversos tipos de comunicação.
Sensores de imagem CMOS
Um sensor de imagem CMOS é um tipo de sensor de imagem usado em câmeras digitais para converter imagens em dados digitais.
Microprocessadores e microcontroladores
A tecnologia CMOS é empregada no desenvolvimento de microprocessadores e microcontroladores, que são componentes essenciais de vários dispositivos eletrônicos.
CMOS vs. BIOS
Embora o CMOS e o BIOS estejam intimamente relacionados, eles têm funções diferentes em um computador. O BIOS é um chip de computador na placa-mãe responsável pela comunicação entre o processador e outros componentes de hardware. Em contraste, o CMOS é um chip de RAM na placa-mãe que armazena as configurações do BIOS.
Verifique a tabela a seguir para obter mais detalhes:
| Característica | CMOS | BIOS |
|---|---|---|
| Nome completo | Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (Semicondutor de óxido metálico complementar) | Basic Input/Output System (Sistema básico de entrada/saída) |
| Função | Fornece armazenamento para os dados de configuração do sistema e as configurações do relógio em tempo real | Gerencia o processo de inicialização inicial do hardware e fornece um conjunto básico de rotinas de baixo nível |
| Natureza | Tecnologia de memória | Software |
| Armazenamento | Memória não volátil | Memória flash ou EEPROM (Memória de leitura programável e apagável eletricamente) |
| Propósito | Armazena as configurações da BIOS | Executa o firmware da BIOS |
| Acessibilidade | Acessível durante a operação do sistema | Acessível durante a inicialização do sistema |
| Dados de configuração | Contém as configurações do sistema (por exemplo, data, hora, ordem de inicialização) | Contém as configurações e parâmetros do firmware |
| Volatilidade | Retém os dados mesmo quando o sistema está desligado | Os dados podem ser modificados ou apagados |
| Bateria de backup | Requer uma bateria CMOS para reter os dados | Não aplicável |
| Tamanho | Pequeno em tamanho e capacidade | Maior em tamanho e capacidade |
CMOS interface and energization checklist
CMOS logic uses complementary networks of P and N channel MOSFETs. The static current is low when the inputs remain close to valid levels, but there are still leakage, switching current and momentary conduction. See the component datasheet; Different CMOS families do not necessarily share the same limits.
- ENTRY:Don’t let them float; Use pull resistors and confirm the states during reset and sequencing.
- Logical levels:Compare the driver’s limits with HIV and vile receiver at all voltage and temperature.
- Protection:Keep pins inside the rails, limit injection current and apply ESD control to reduce latch-up.
- power:Place decoupling next to each pair and avoid ramps or uncontrolled reverse feed paths.
- dynamic load:estime
P ≈ αCV²F, including capacitance, activity and simultaneous switching noise.
