خانواده CMOS ها
همه چیز درباره خانواده CMOS، خانواده CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) مجموعه‌ای از تراشه‌های الکترونیکی است که برای ساخت انواع دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. CMOS یک تکنولوژی ساخت تراشه است که برای ساخت انواع مدارهای مجتمع استفاده می‌شود، از جمله مدارهای منطقی، مدارهای دیجیتال و حافظه‌ها.
این خانواده تراشه‌ها از دو نوع تراشه CMOS به نام
NMOS (نیمه هادی معکوس) و
PMOS (هادی معکوس)
تشکیل شده است. این دو نوع تراشه در ساخت تراشه‌های CMOS با هم ترکیب می‌شوند تا مدار CMOS کامل ساخته شود.
مزیت اصلی استفاده از تراشه‌های CMOS نسبت به سایر تراشه‌ها، از جمله تراشه‌های TTL (Transistor-Transistor Logic)، مصرف کمتر انرژی است. تراشه‌های CMOS تا زمانی که ورودی به آن‌ها تغییر نکند، تقریباً انرژی مصرف نمی‌کنند. این ویژگی باعث شده است که تراشه‌های CMOS در باتری‌ها و دستگاه‌هایی که از منابع تغذیه با ظرفیت محدود استفاده می‌کنند، بسیار محبوب شوند.
تراشه‌های CMOS همچنین دارای سرعت بازدهی بالا هستند و می‌توانند در فرکانس‌های بالا عمل کنند. ضد نویز بودن نیز از دیگر ویژگی‌های مهم تراشه‌های CMOS است که آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به کاهش نویز الکترومغناطیسی دارند، مناسب می‌سازد.
این تراشه‌های نقش مهمی در صنعت الکترونیک و کامپیوتر ایفا می‌کنند. آن‌ها در انواع دستگاه‌های الکترونیکی مانند کامپیوترها، تلویزیون‌ها، تلفن‌های همراه، دوربین‌های دیجیتال، روترها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
NMOS (نیمه هادی معکوس)
NMOS (نیمه هادی معکوس) نوعی تراشه CMOS است که در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. در مدارهای NMOS، از ترانزیستورهای هادی (MOSFET) با ساختار N-channel استفاده می‌شود.
یک ترانزیستور NMOS شامل سه بخش اصلی است: منبع (Source)، زمینه (Substrate) و ناحیه کنترل (Gate). منبع به دنباله‌ای از الکترون‌ها است که جریان را به سمت زمینه هدایت می‌کند. زمینه باطرفیتی مثبت دارد و به عنوان منبع تامین برق خدمت می‌کند. ناحیه کنترل با استفاده از ولتاژهای کنترلی مختلف، جریان الکترون‌ها را کنترل می‌کند.
در یک ترانزیستور NMOS، وقتی ولتاژ کنترلی (Gate voltage) بیشتر از ولتاژ آستانه (Threshold voltage) است، کانال الکترونی در ناحیه کنترل ایجاد می‌شود و جریان الکترون به سمت منبع جریان می‌رود. این ویژگی باعث می‌شود که ترانزیستور NMOS به عنوان یک سوئیچ قابل استفاده باشد و در مدارهای منطقی و مدارهای دیجیتال مورد استفاده قرار گیرد.
ترانزیستورهای NMOS به دلیل سادگی ساختار و عملکرد، مصرف انرژی کمتر و سرعت بالاتر، در مقایسه با ترانزیستورهای PMOS (هادی معکوس)، بسیار محبوب هستند. با استفاده از ترانزیستورهای NMOS و PMOS، مدارهای CMOS کامل ساخته می‌شوند که در آن‌ها ترانزیستورهای NMOS و PMOS به طور متقابل به یکدیگر متصل شده و عملکرد بهینه را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
PMOS (هادی معکوس)
PMOS (هادی معکوس) همچنین یک نوع تراشه CMOS است که در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. در مدارهای PMOS، از ترانزیستورهای هادی (MOSFET) با ساختار P-channel استفاده می‌شود.
ترانزیستور PMOS نیز شامل سه بخش اصلی است: منبع (Source)، زمینه (Substrate) و ناحیه کنترل (Gate). منبع به دنباله‌ای از “سوراخ‌ها” (holes) است که جریان را به سمت زمینه هدایت می‌کند. زمینه باطرفیتی منفی دارد و به عنوان منبع تامین برق خدمت می‌کند. ناحیه کنترل با استفاده از ولتاژهای کنترلی مختلف، جریان سوراخ‌ها را کنترل می‌کند.
در یک ترانزیستور PMOS، وقتی ولتاژ کنترلی (Gate voltage) کمتر از ولتاژ آستانه (Threshold voltage) است، کانال سوراخی در ناحیه کنترل ایجاد می‌شود و جریان سوراخ‌ها به سمت منبع جریان می‌رود. این ویژگی باعث می‌شود که ترانزیستور PMOS نیز به عنوان یک سوئیچ قابل استفاده باشد و در مدارهای منطقی و مدارهای دیجیتال مورد استفاده قرار گیرد.
ترانزیستورهای PMOS، معمولاً به عنوان تکمیل کننده ترانزیستورهای NMOS در مدارهای CMOS استفاده می‌شوند. با استفاده از ترانزیستورهای NMOS و PMOS به طور همزمان، مدارهای CMOS کامل ساخته می‌شوند که در آن‌ها ترانزیستورهای NMOS و PMOS به طور متقابل به یکدیگر متصل شده و عملکرد بهینه را تحت تأثیر قرار می‌دهند. این نوع ساختار CMOS باعث می‌شود که مصرف انرژی کاهش یابد و عملکرد سریعتر و بهتری داشته باشد.
ICهای CMOS
مجموعه‌ای از ICهای CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) به عنوان زیر می‌آید:
میکروکنترلرها (Microcontrollers):
ATmega و STM32، که برای کنترل و مدیریت سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
ماشین‌های محاسباتی (Processors):
Intel Core i7 و AMD Ryzen، که برای اجرای عملیات محاسباتی پیچیده در کامپیوترها و سرورها استفاده می‌شوند.
حافظه‌های نصب شده (Non-volatile Memory):
مانند فلش حافظه (Flash Memory) که برای ذخیره سازی داده‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مدارهای تقویت کننده (Amplifier Circuits):
برای تقویت سیگنال‌های الکترونیکی در مدارهای صوتی و تصویری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مدارهای مبدل (Converter Circuits):
مانند مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) که برای تبدیل سیگنال‌های بین دامنه آنالوگ و دیجیتال استفاده می‌شوند.
مدارهای توان (Power Circuits):
برای مدیریت و تأمین برق در سیستم‌های الکترونیکی بزرگ مانند منابع تغذیه و تقویت‌کننده‌های توان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مدارهای مبدل آنالوگ (Analog-to-Digital Converter – ADC):
برای تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به سیگنال‌های دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مدارهای ارتباطی (Communication Circuits):
مانند مدارهای RF (Radio Frequency) و ماژول‌های بی‌سیم مانند بلوتوث و وای‌فای که برای ارتباطات بی‌سیم استفاده می‌شوند.
مدارهای حسگر (Sensor Circuits):
برای تشخیص و اندازه‌گیری ورودی‌های محیطی مانند نور، حرارت، فشار، شتاب و غیره استفاده می‌شوند.
- 10. مدارهای تایمر و ساعت (Timer and Clock Circuits):
برای تولید سیگنال‌های زمانی دقیق و تنظیم زمان در دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.
این فهرست تنها چند مثال از ICهای CMOS است و هنوز بسیاری از تراشه‌ها و مدارهای مختلف CMOS در طیف وسیعی از برنامه‌ها و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ولتاژ کار COMSها
ولتاژ کار CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) بسته به نوع مدار و کاربرد متفاوت است. اما در مدارهای CMOS رایج، ولتاژ کار عموماً در محدوده 3 تا 5 ولت است.
در مدارهای مصرفی و منطقی CMOS، ولتاژ کار معمولاً 5 ولت است. این ولتاژ را معمولاً با منبع تغذیه از نوع منبع تغذیه با ولتاژ ثابت (DC power supply) تأمین می‌کنند.
با این حال، برای برخی کاربردها و مدارهای CMOS، ولتاژ کار ممکن است کمتر از 5 ولت باشد. به عنوان مثال، در برخی سیستم‌های کارت خوان RFID یا سیستم‌های باتری قابل حمل، ولتاژ کار ممکن است در محدوده 3 تا 3.3 ولت باشد.
همچنین، در برخی برنامه‌های مخصوص دیجیتال CMOS از ولتاژ کار پایین‌تری مانند 1.8 ولت یا حتی کمتر استفاده می‌شود. این کاهش ولتاژ کار به منظور کاهش مصرف انرژی و افزایش کارایی در مدارهای دیجیتال استفاده می‌شود.
بنابراین، ولتاژ کار CMOS ممکن است متغیر باشد و بسته به نوع مدار و کاربرد، در محدوده 3 تا 5 ولت (وگاهی کمتر) قرار بگیرد.
در زیر، یک جدول مقایسه بین CMOS و TTL (Transistor-Transistor Logic) ارائه شده است:
CMOS | TTL | ویژگی |
کمتر | بیشتر | مصرف توان |
معمولاً 3-5 ولت | معمولاً 5 ولت | ولتاژ کار |
کندتر | سریعتر | سرعت عملکرد |
بالا تر | پایین تر | خروجی |
کمتر | بیشتر | آسیب پذیری به نویز |
بیشتر | کمتر | تحمل به ورودی غیرمجاز |
بله | خیر | قابلیت تغذیه با ولتاژ متغیر |
بهتر | کمتر | مقاومت در برابر دما |
| کمتر | بیشتر | هزینه |
| الکترونیک مصرفی، میکروکنترلرها، حافظه های نصب شده، مدارهای تقویت کننده و غیره | برق و صنعت، ارتباطات، سیستم‌های دیجیتال بزرگ و غیره | کاربردها |
لازم به ذکر است که این جدول تفاوت‌های عمومی بین CMOS و TTL را نشان می‌دهد و بسته به نوع مدار و کاربرد، ممکن است تفاوت‌های دقیقتری وجود داشته باشد. همچنین، با پیشرفت تکنولوژی، مزایا و معایب این دو فناوری نیز ممکن است تغییر کند.
