Integrované obvody CMOS - Ročníková práce Elektrotechnologie

2.0 LOGIKA CMOS

Zkratkou CMOS se obecně označují komplementární logické obvody MOS , ve kterých se používají kombinace tranzistorů s kanálem P a kanálem N. Tranzistory se automaticky zavírají, jakmile je napětí UGS mezi řídící elektrodou a emitorem menší než napětí UT , jehož velikost je 1,5V až 2V.

Technologie CMOS se vyrábí prakticky stejnými postupy, jako běžné procesory. Tím pádem je už dnes jejich cena třetinová. Navíc, díky své vnitřní konstrukci, mají podstatně menší spotřebu elektrického proudu. To jsou hlavní důvody, proč se jim předpovídá velká budoucnost. Současné CMOS navazují na obdobná zařízení známá už třicet let. Ty nejjednodušší jsou pasivní (PPS – Passive-pixel sensors), která generují elektrický náboj úměrně energii dopadajících paprsků.Náboj jde přes zesilovač do analog-digitálního konvertoru jako u běžného CCD. V praxi však dávají tyto pasivní CMOS špatný obraz. Pozornost je proto upřena na aktivní CMOS (APS – Active-pixel.sensors) . Každá světlocitlivá buňka je doplněna analytickým obvodem, který vyhodnocuje tzv. šum a aktivně ho eliminuje. Moderní CMOS už generují obrázky srovnatelné s levnějšími CCD a lze čekat další vývoj. CCD prvky jsou doprovázeny dalšími čipy - každý aparát má minimálně tři další, ale taky sedm. Technologie CMOS umožňuje integraci specializovaných čipů, například ke stabilizaci nebo kompresi obrazu.

Nevýhodou dosavadních integrovaných obvodů CMOS je jejich malá citlivost na světlo. Je to dáno tím, že obvody omezující šum jsou uvnitř buněk. Nedostatek se řeší přidáním miniaturních čoček ke každé buňce a další miniaturizací kompenzačních obvodů.

Základním obvodem je invertor (obr.1). U tranzistoru s kanálem typu N je emitor a substrát na zápornějším napětí, u tranzistoru s kanálem typu P je emitor a substrát na kladnějším napětí.

Princip činnosti invertoru je jednoduchý.Je-li na vstupu napětí UDD ( zápornější napětí ), je otevřený tranzistor T1. Tranzistor T2 je zavřený a výstup je na potenciálu země.Naopak,je-li na vstupu potenciál země, je otevřený tranzistor T2.Tranzistor T1 je zavřený a na výstupu je napětí UDD.V klidovém stavu je vždy jeden tranzistor otevřený a druhý zavřený, proto je klidový ztrátový výkon zanedbatelný.Zavřeným tranzistorem prochází jen svodový proud řádu nanoampérů (nA) a na otevřeném tranzistoru je napětí asi 1mV. Klidový ztrátový výkon je proto několik nanowattů (nW) a velikost rozkmitu napětí na výstupu je téměř jako velikost napájecího napětí.Vstupní impedance má vlastně jen kapacitní charakter.

Obr.1. Invertor

Závislost výstupního napětí U0 na výstupním napětí U1 pří různých velikostech napájecího napětí UDD je relativně k velikosti prahového napětí UT.Jestliže mají oba tranzistory s kanálem P i kanálem N totožné průběhy charakteristik a stejné prahové napětí UT při napětí UDD<UT, nemůže se otevřít žádný tranzistor a invertor proto nemůže pracovat.Na obr.2 jsou znázorněny pracovní podmínky invertoru.Na obr.3 jsou příklady průběhů přenosových charakteristik.Větší zaoblení přenosových charakteristik při větších napětích UDD je způsobeno současným otevřením obou tranzistorů.