CMOS



Inhaltsverzeichnis




Einleitung ....................................................................

Einige Grundlagen .......................................................

Numerischer Index der CMOS Bausteine ....................

Funktionsliste der CMOS Bausteine ............................

Logik ............................................................................






















Einleitung:

1. CMOS


CMOS gilt heute als eine der universellsten, modernsten und zukunftssichersten Logikfamilien. Sie ist √§u√üerst preisg√ľnstig und in hunderten von verschiedenen Bausteine von einem Dutzend bekannter Hersteller erh√§ltlich. Sie arbeite √ľber einen breiten, nicht kritischen Bereich der Betriebsspannung und nimmt √ľberhaupt keine Leistung auf, wenn die Eing√§nge nicht ge√§ndert werden und sehr wenig Leistung abh√§ngig von Arbeitsfrequenz. Die Eing√§nge besitzen nahezu eine unendlich hohe Eingangsimpedanz und die Ausgangssignale durchlaufen den ganzen Bereich der Betriebsspannung. Zus√§tzlich reicht die Ausgangsleistung, um fast beliebig viele CMOS - Bausteine zu treiben.
Die CMOS - Logik ist sehr wenig empfindlich gegen Systemrauschen und erzeugt auch selbst nicht viel Rauschen. Sie l√§sst sich auf einen lineare Arbeitsweise vorspannen und bietet eine un√ľbersehbare Anzahl von Anwendungsm√∂glichkeiten .
Besonders wichtig ist, dass CMOS eine digitale Logikfamilie ist, mit der es wirklich Spaß macht zu arbeiten. Sie ist extrem tolerant gegen provisorische Versuchsaufbauten und einfache Stromversorgungen, wie dies typisch bei Amateuren, Studenten und industriellen Versuchsschaltungen der Fall ist. Sehr häufig stellt sich heraus, dass CMOS die beste Wahl
f√ľr die Entwicklung von digitalen Logikschaltungen ist, speziell in preisg√ľnstigen Anwendungen, insbesondere bei niedrigen FrequenzenDer Name CMOS ist eine Abk√ľrzung und bedeutet Complementary - Metall - Oxide - Silizium.
CMOS hat einige wesentliche Vorteile gegen√ľber fr√ľheren Logikfamilien. Die Vorz√ľge bestehen in sehr niedrigen Kosten, extrem niedrigem und unkritischen Leistungsbedarf, gro√üem Logikhub, Umschalten in der Mitte der Betriebsspannung, nahezu unendlich gro√üer Eingangsimpedanz und gute Rauscheigenschaften.
Außer diesen Vorteilen ist CMOS viel nachsichtiger und weniger kritisch in der Anwendung, als z B. die TTL - Logik.

Aber auch CMOS ist nicht perfekt. Die meisten CMOS - Bausteine k√∂nnen maximal f√ľnf Millionen oder weniger Eingangs√§nderungen pro Sekunde verarbeiten, das entspricht einer maximalen Takt - oder Datenrate von 5 Mega - Bits pro Sekunde. Neuere und verbesserte Versionen k√∂nnen jedoch diese Geschwindigkeitsgrenzen um das zehnfache √ľbersteigen.
CMOS - Ausgänge sind auch empfindlich gegen Belastung, speziell gegen Kapazitive.
Man muss daher etwas sorgfältig mit CMOS - Schnittstellen, sogenannte Interfaces, oder Verbindungen zu anderer Logik umgehen.














Der CMOS - Prozess

Schauen wir uns an, wie der Aufbau zweier grundlegender Typen von MOS vor sich geht.
Wenn man diese zwei grundlegenden Typen miteinander verbindet, dann erh√§lt man den ersten und einfachsten CMOS - Baustein, den Inverter. Bild 1 zeigt den Aufbau eines n - Kanal - Anreichungs - MOS - Baustein. Der Grundblock besteht aus p - dotiertem Silizium. Anschlie√üend werden zwei Anschl√ľsse in den Silizium - Block diffundiert. Dadurch werden zwei n - leitende Silizium - Bereiche aufgebaut. Die Kontaktfl√§che zwischen dem n - Bereich und dem p - Bereich wird eine pn - Sperrschicht, auch junction, genannt. Sie wird stromf√ľhrend, wenn p positiv gegen√ľber n ist.











Bild 1






























Die Zuleitung zum p - dotierten Grundblock nennt man Substrat, einen der n - Bereiche nennt man Quelle (source) und den anderen Bereich Senke (drain). Damit dieser Baustein leitend wird muss man den Stromfluß zwischen Source und Drain zu steuern. Um das zu verwirklichen braucht man ein ganz speziellen Kondensator zwischen dem Source und den Drain auf der Oberfläche.
Der Kondensator besteht aus einem Dielektrikum oder isolierten Lage aus Silizium - Dioxyd, Glas oder irgendeinem anderen Isolator. Auf der Oberseite dieses Isolators bringt man nun einen neuen Anschluß an den wir Gate nennen. Das Gate kann entweder aus Metall oder Silizium bestehen, solange es nur leitend ist. Metall - Gatter sind älter und einfacher, jedoch Silizium - Gatter sind empfindlicher, schnell und kleiner.
In Bild 2 ist das Source und das Substrat geerdet und das Drain mit einer positiven Spannung +V √ľber einen Lastwiderstand verbunden. Der Gate Eingang ist ebenfalls geerdet. Da der Eingang nun geerdet ist existiert keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Platten des Kondensators. Der Transistor sperrt. Am Ausgang liegt daher eine positive Spannung an.
Wenn man das Gate aber nun mit der positiven Spannungsquelle verbindet dann wird der Kondenstor aufgeladen. Das Silizium verwandelt sich in ein n - leitendes Material an der Oberfl√§che. Es entstand ein n - leitendes Source, verbunden mit einem schmalen n - Bereich unter dem Gate mit einem n - leitenden Drain, wodurch sich ein kontinuierlicher n - Bereich vom Source zum Drain bildet. Der n - Kanal stellt einem sehr niedrigen Widerstand dar, so dass der Ausgang nahezu auf Masse geht. Der Transistor wurde also eingeschaltet indem ihm eine positive Gate - Spannung zugef√ľhrt wurde.


















Bild 2












Und um den Transistor wieder abzuschalten braucht man nur das Gate zu erden bzw. auf Masse zu legen. Der Betrag der Spannung, der zum Einschalten benötigt wird, nennt man Schwellenspannung und beginnt bei etwa einem Volt aufwärts. Abhängig vom Baustein.
Da der Transistor normalerweise abgeschaltet ist, und um ihn einzuschalten man ihm etwas zuf√ľhren muss, nennt man ihn einen Anreicherungstyp (enhancement - mode).


Das war bis hierher nur der grundlegende Aufbau und kein CMOS - Baustein.
Wenn man jetzt zwei Transistoren nimmt, einen n - Kanal - MOS - Transistor und einen p - Kanal - MOS - Transistor, und sie in Reihe schaltet, dann erhält man den ersten CMOS - Baustein.
Bild 3.




Bild 1.7










Durch diese Zusammenschaltung ergeben sich nun folgende Vorteile:

Der Ausgang ändert sich genau in der Hälfte zwischen den beiden Extremwerten der Stromversorgung +V und der Masse, wodurch das Diagramm genau in Mitte geteilt wird.
Bild 4



Bild 1.8

















CMOS - Eigenschaften


0 Die Eingänge aller Bausteine haben nahezu unendlich hohen Widerstand und sind daher leicht anzusteuern.

0 Der Stromversorgung wird keine Leistung entnommen, mit Ausnahme bei √Ąnderungen des Eingangs - Logik - Zustandes. Der Betriebsstrom ist extrem niedrig, speziell bei niedrigen Frequenzen.
0 Die Logikänderungen von High auf Low treten genau bei der Hälfte der Betriebsspannung auf, wodurch sich eine ausgezeichnete Rauschunempfindlichkeit ergibt.

0 Die Schaltungen arbeiten √ľber einen breiten Betriebsspannungs - Bereich, typisch +3 bis +15 Volt.

0 Der Logik - Hub des Ausgangs geht (Ohne Belastung) von Masse bis zur positiven Betriebsspannung, das hei√üt √ľber den vollen Bereich der verf√ľgbaren Betriebsspannung.

0 CMOS - Ausgangsstufen erzeugen keine größeren Stromspitzen auf den Stromversorgungs - Zuleitungen, wodurch sie selbst sehr wenig Rauschen liefen.


CMOS - Typen

Es gibt 3 verschiedene Typen von CMOS - Typen Einmal die konventionelle oder A. - Serie, die gepufferte oder B - Serie und die SOS - Bausteine (Silicon - on - Sapphire).

Die A - Serie ist die √§lteste und billigste und in dieser Serie sind die meisten Bausteine verf√ľgbar. die B - Serie stellt eine wesentliche Verbesserung gegen√ľber der A - Serie dar. Sie besitzen interne Puffer, die aus einem Inverter - Paar an allen Ausg√§ngen bestehen, wie sie im Bild 5 zu sehen sind.
Die Verbesserungen, die sich daraus ergeben sind in Bild 6 zu sehen.






Bild 1 - 13 Bild 1 - 14






Im allgemeinen sollte immer die Serie B verwendet werden






Eingangs - Schutz

Die Eing√§nge von CMOS - Bausteinen besitzen im wesentlichen offene Schaltungen. Gleichzeitig ist jedoch die dielektische Isolatorschicht des Gate - Kondensators extrem d√ľnn. Wenn statische Elektrizit√§t auf das Gate - Dielektrikum gelangt, k√∂nnen extrem hohe Feldst√§rken resultieren und das Gate kann rasch und bleibend zerst√∂rt werden. Ohne irgendwelche Schutzschaltungen kann die statische Elektrizit√§t, die durch Reibung bei der Bewegung √ľber einen Teppich oder durch Einstecken eines Bausteins in ein Styroporplatte entstehen kann, mehr als genug Spannung zur Zerst√∂rung der Schaltung liefern.
Um dieses Problem zu vermeiden, besitzen alle integrierten CMOS - Schaltungen interne Schutzeinrichtungen, zusammen mit anderen Arten von Schutz gegen Aufladung. Bild 7.





Bild 1 - 15





Nahezu alle diese Verfahren geben eine gute Eingangs - Schutzbeschaltung gegen Probleme mit statischer Elektrizit√§t. Sie geben jedoch auch einen guten Schutz, wenn der Baustein nicht in einer Schaltung eingesetzu ist, vorausgesetzt, man geht entsprechend sorgf√§ltig mit diesen Bausteinen um. Um CMOS - Bausteine zu sch√ľtzen, bewahrt man diese in leitenden Schaumstoff oder metallischen Beh√§ltern vor der Verwendung auf.

Durch die Schutzschaltungen entsteht ein neues Problem. Mann muss nun diese durch √úberlastungen durch Str√∂me sch√ľtzen. Man sollte den Strom durch die Schutzdiode auf ca. 10 mA begrenzen



Stromversorgungen

CMOS ist eine Logikfamilie mit äußerst geringem Stromverbrauch und daher wesentlich auch leichter zu versorgen als alle anderen Logikfamilien. CMOS arbeiten in einem Bereich von 3 bis 15 Volt und ist weitgehend unempfindlich gegen Störsspannungen
Die optimale Versorgungsspannung beträgt ca.,. 10 Volt Bei dieser Spannung erhaltet man eine sehr schnelle Arbeitsweise und beträchtliche Treibermöglichkeiten.
Bei einer Betriebsspannung von nur 5 Volt nimmt die Geschwindigkeit um √ľber die H√§lfte ab. Der Betriebsstrom von CMOS verdoppelt sich mit der doppelter Versorgung, so dass die nun verbrauchte Leistung = Leistung ¬≤ ist. Bild 8 zeigt Sie Stromaufnahme in Abh√§ngigkeit zur Frequenz.



Bild 1 - 16



Regeln f√ľr die Anwendung von CMOS


0 Alle Eingänge sollen irgendwo angeschlossen sein. ZB. eine Verbindung zu einem Eingangssignal, zu +V oder zu Masse.

0 Sch√ľtzen der Schutzschaltung. Vermeidung, dass die Eingangs - Schutzdioden leiten. M√ľssen sie trotzdem leiten so begrenzt man den Strom auf 10 mA. Beachten der Einfl√ľsse der Dioden auf Zeitkonstanten und andere Impulsformer - Schaltungen.

0 Vermeidung der statischen Aufladung. Die CMOS - Bausteine in einem leitendem Schaumstoff oder ein einem Metallgeha√ľse aufbewahren.

0 Aufbereitung der Eingangssignale, die zu einer getakteten Logik f√ľhren,. Drucktaster, Schalter und Tastaturkontakte m√ľssen entprellt sein und sie st√∂r und prellfrei zu machen.

Verwendung von kurzen Anstiegs - und Abfallszeiten f√ľr den Takt. Die Anstiegszeiten und Abfallzeiten an den Takt Eing√§ngen der getakteten Logikschaltungen m√ľssen k√ľrzer als 5 Microsekunden sein. Andernfalls k√∂nnte sich eine falsche Arbeitsweise ergeben.



Interface

Interfacen ist die Kunst des Verbindens von CMOS - Logik mit anderen Logik - Systemen. Der Schl√ľssel zum Interface besteht darin, dass die Bits so umgewandelt werden, dass sie mit anderen Logik - Einheiten kommunizieren k√∂nnen. Bild 9 zeigt, wie die Kompatibilit√§t zwischen CMOS und TTL hergestellt wird.







Bild 1 - 28









Im Grunde ist der CMOS ein gro√üartiger Baustein. Die Vorteile sind so √ľberragend, dass eine ganze Technologie integrierter Schaltungen hiermit aufgezogen wurde.

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