IC, آموزش, آی سی, الکترونیک, ترانزیستورها, خبری, دسته‌بندی نشده, علمی, قطعات, میکروکنترلرها

همه چیز درباره خانواده CMOS

CMOS
09 بهمن

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.

 

تاریخچه CMOS

همه چیز درباره خانواده CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) یک فناوری الکترونیکی است که در ساخت و تولید تراشه‌ها و مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. تاریخچه CMOS به دهه 1960 برمی‌گردد و در طول سال‌ها بهبود و توسعه یافته است.

 

در زیر، تاریخچه CMOS را به طور خلاصه توضیح می‌دهم:

  • دهه 1960: CMOS برای اولین بار توسط فردی به نام فردریک هایل اختراع شد. در این روش، ترانزیستورهای P-channel MOSFET (P-MOS) و N-channel MOSFET (N-MOS) به صورت مکمل یکدیگر عمل می‌کنند. این فناوری ابتدا در مدارهای حافظه استفاده شد.
  • دهه 1970: CMOS به عنوان یک فناوری پویا و جدید در صنعت الکترونیک مورد توجه قرار گرفت. با بهبود فرآیند ساخت و تکنولوژی CMOS، این فناوری به عنوان جایگزینی مقرون به صرفه و کارآمد برای فناوری‌های قدیمی‌تر مانند TTL (Transistor-Transistor Logic) شناخته شد.
  • دهه 1980: CMOS به عنوان فناوری اصلی در تولید مدارهای مجتمع (ICs) مورد استفاده قرار گرفت. با عملکرد کمتر توان، انتقال داده‌های سریعتر و امکانات پیشرفته، CMOS به عنوان یکی از فناوری‌های اصلی در صنعت الکترونیک شناخته شد.
  • دهه 1990: فناوری CMOS در طول این دهه بهبود یافت و استفاده از آن در تولید تراشه‌های با تراکم بیشتر و عملکرد بهتر افزایش یافت. CMOS به عنوان فناوری اصلی در تولید مدارهای سیستمی با کاربردهای گسترده مانند میکروپروسسورها، حافظه‌های نصب شده و سایر قطعات الکترونیکی پرکاربرد شناخته می‌شود.
  • سال 2000 به بعد: CMOS همچنان به عنوان فناوری اصلی در تولید تراشه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. این فناوری با پیشرفت‌های فراوان در ابعاد تراشه‌ها، کاهش مصرف توان، افزایش سرعت و امکانات پیشرفته‌تر، به شکل گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نکته

همچنین، در طول سال‌ها، شرکت‌ها و سازندگان مختلف به بهبود و توسعه فناوری CMOS پرداخته‌اند و نسخه‌های مختلفی از آن را معرفی کرده‌اند. به عنوان مثال، در حال حاضر، CMOS به صورت چندین نسل پیشرفته مانند CMOS 90nm، CMOS 65nm، CMOS 45nm و غیره در حال استفاده است. این نسخه‌ها بر اساس تکنولوژی ساخت و فرآیندهای تولید مختلف متفاوت هستند.

تاریخچه CMOS نشان می‌دهد که این فناوری از اهمیت بالایی در صنعت الکترونیک برخوردار است و به عنوان روشی کارآمد برای ساخت و تولید مدارهای الکترونیکی با کارایی بالا و مصرف توان کم شناخته می‌شود.

 

سریال مشخصه ICهای CMOS

سریال مشخصه (Part Number) یک IC (مدار مجتمع) CMOS به صورت معمول شامل یک کد یا شماره مشخص است که توسط سازنده برای شناسایی و تفکیک محصولات مختلف استفاده می‌شود. این سریال مشخصه‌ها برای هر تراشه یا دسته مشابه از تراشه‌ها منحصر به فرد است. علاوه بر کد سریال مشخصه، ممکن است اطلاعات دیگری مانند ویژگی‌ها، ولتاژ کاری، سرعت عملکرد و غیره نیز در شماره مشخصه یا در حالت تکمیلی مشخص شده باشد.

به طور معمول، سریال مشخصه ICهای CMOS شامل مجموعه‌ای از حروف و اعداد است که توسط سازنده تعیین می‌شود. نمونه‌هایی از سریال مشخصه ICهای CMOS عبارتند از:

  • 74HC04: سری 74HC از CMOS است و یک بوفر HEX Inverter را نشان می‌دهد.
  • CD4017: سری CD از CMOS است و یک کانتر 10 مرحله‌ای را نشان می‌دهد.
  • 74LS138: سری 74LS از CMOS است و یک دیکودر/دیمولتیپلکسر 3 به 8 را نشان می‌دهد.
  • CD4040: سری CD از CMOS است و یک کانتر 12 بیتی را نشان می‌دهد.
  • 4093: این سری مشخصه CMOS یک IC چهار پورت NAND را نشان می‌دهد.

لطفا توجه داشته باشید که سریال مشخصه‌ها بسته به سازنده و نوع IC CMOS ممکن است متفاوت باشند. بهتر است همیشه به دستورالعمل و دفترچه راهنمای مربوطه ارجاع کنید تا سریال مشخصه درست را برای هر IC CMOS خاص تعیین کنید.

لیست محصولات CMOS

خانواده CMOS در زمینه ساخت تراشه‌های الکترونیکی و مدارهای مجتمع (IC) استفاده می‌شود. این تراشه‌ها در انواع محصولات الکترونیکی و کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر لیستی از برخی از محصولات CMOS را می‌توانید مشاهده کنید:

  • میکروپردازنده‌ها:

از جمله محصولات CMOS معروف میکروپردازنده‌هایی مانند Intel Core و AMD Ryzen هستند. این میکروپردازنده‌ها در کامپیوترها و سرورها استفاده می‌شوند.

  • حافظه‌های نامانا:

حافظه‌های نامانا (Non-Volatile Memory) از جمله محصولات CMOS هستند که اطلاعات در آن‌ها حتی در صورت قطع برق حفظ می‌شوند. مثال‌هایی از حافظه‌های نامانا شامل فلش مموری (USB Flash Drive) و حافظه‌های SSD (Solid State Drive) می‌باشند.

  • مدارهای منطقی:

CMOS در ساخت مدارهای منطقی و دروازه‌های منطقی استفاده می‌شود. این مدارها برای انجام عملیات منطقی و تصمیم‌گیری در سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند.

  • مدارهای دیجیتال:

مدارهای دیجیتال مانند شمارنده‌ها، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ، مبدل‌های AD-DA، مدارهای کدگذاری و کدگشا و سایر مدارهای دیجیتال استفاده می‌شود.

  • دستگاه‌های تصویربرداری:

سنسورهای تصویر CMOS استفاده می‌شود که در دوربین‌های دیجیتال، تلفن‌های همراه و دستگاه‌های تصویربرداری دیگر استفاده می‌شوند.

  • مدارهای شبکه:

مدارهای شبکه مانند روترها و سوئیچ‌های شبکه استفاده می‌شود.

این فقط یک لیست کوچک از محصولات CMOS است و استفاده از این تراشه‌ها در صنعت الکترونیک بسیار وسیع است و در انواع دستگاه‌های الکترونیکی دیده می‌شود.

 

ICهای CMOS

ICs

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.

TTL-vs-CMOS1

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.

TTL-vs-CMOS2

کارخانه های مطرح سازنده COMS ها

در زیر، چند کارخانه معروف سازنده تراشه‌های CMOS به همراه لینک‌هایشان آورده شده است:

  1. Intel Corporation – https://www.intel.com/content/www/us/en/homepage.html
  2. Advanced Micro Devices (AMD) – https://www.amd.com/
  3. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) – https://www.tsmc.com/
  4. Samsung Electronics – https://www.samsung.com/
  5. Texas Instruments (TI) – https://www.ti.com/
  6. Broadcom Inc. – https://www.broadcom.com/
  7. Qualcomm Incorporated – https://www.qualcomm.com/
  8. NVIDIA Corporation – https://www.nvidia.com/
  9. Infineon Technologies AG – https://www.infineon.com/
  10. STMicroelectronics – https://www.st.com/
برچسب‌ها:
, , , , , , , , , ,
جدیدتر همه چیز درباره خانواده TTL
بازگشت به لیست
قدیمی‌تر همه چیز درباره میکروکنترلرهای PIC

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *