Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductorkim loại oxit bán dẫn) có tên gọi xuất xứ từ cấu trúc MOS cơ bản của một điện cực nằm trên lớp oxit cách nhiệt, dưới lớp oxit là đế bán dẫn. Transistor trong công nghệ MOS là transistor hiệu ứng trường, gọi là MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor). Có nghĩa điện trường ở phía điện cực kim loại của lớp oxit cách nhiệt có ảnh hưởng đến điện trở của đế. Phần nhiều IC số MOS được thiết kế hết bằng MOSFET, không cần đến linh kiện nào khác.
Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor-kim loại oxit bán dẫn) có tên gọi xuất xứ từ cấu trúc MOS điện cực nằm lớp oxit cách nhiệt, lớp oxit đế bán dẫn Transistor công nghệ MOS transistor hiệu ứng trường, gọi MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor) Có nghĩa điện trường phía điện cực kim loại lớp oxit cách nhiệt có ảnh hưởng đến điện trở đế Phần nhiều IC số MOS thiết kế hết MOSFET, không cần đến linh kiện khác Ưu điểm MOSFET dễ chế tạo, phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao điện Kĩ thuật làm IC MOS rắc rối 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực (TTL, ECL, ) Thêm vào đó, thiết bị MOS chiếm chỗ chip so với BJT, thông thường, MOSFET cần mi li vuông diện tích chip, BJT đòi hỏi khoảng 50 mi li vuông Quan trọng hơn, IC số MOS thường không dùng thành phần điện trở IC, vốn chiếm nhiều diện tích chip IC lưỡng cực Vì vậy, IC MOS dung nạp nhiều phần tử mạch chip đơn so với IC lưỡng cực Bằng chứng ta thấy MOS dùng nhiều vi mạch tích hợp cỡ LSI, VLSI hẳn TTL Mật độ tích hợp cao IC MOS làm chúng đặc biết thích hợp cho IC phức tạp, chip vi xử lí chip nhớ Sửa đổi công nghệ IC MOS cho thiết bị nhanh 74, 74LS TTL, với đặc điểm điều khiển dòng gần Do vậy, thiết bị MOS đặc biệt CMOS đã sử dụng rộng rãi mạch MSI tốc độ có thua IC TTL cao cấp dễ bị hư hỏng bị tĩnh điện Mạch số dùng MOSFET chia thành nhóm là: - PMOS dùng MOSFET kênh P - NMOS dùng MOSFET kênh N tăng cường - CMOS (MOS bù) dùng thiết bị kênh P kênh N Các IC số PMOS NMOS có mật độ đóng gói lớn (nhiều transistor chip hơn) kinh tế CMOS NMOS có mật độ đóng gói gần gấp đôi PMOS Ngoài ra, NMOS nhanh gần gấp lần PMOS, nhờ kiện điện tử tự hạt tải dòng NMOS, lỗ trống (điện tích dương chuyển động chậm hơn) hạt tải dòng cho PMOS CMOS rắc rối có mật độ đóng gói thấp họ MOS, có điểm mạnh tốc độ cao công suất tiêu thụ thấp IC NMOS CMOS dùng rộng rãi lĩnh vực kĩ thuật số, IC PMOS không góp mặt thiết kế Tuy nhiên MOSFET kênh P quan trọng chúng dùng mạch CMOS Trước vào công nghệ CMOS ta tìm hiểu qua NMOS Cũng cần phải biết PMOS tương ứng giống hệt NMOS, khác chiều điện áp Hình 1.64 cấu tạo cổng NOT loại NMOS Mạch gồm MOSFET: Q2 làm chuyển mạch Q1 làm tải cố định dẫn, điện trở Q1 khoảng 100 kΩ Ngõ vào mạch đặt cực G Q2, ngõ lấy điểm chung cực S Q1 cực D Q2 Nguồn phân cực cho mạch giả sử dùng 5V Khi Vin = V, ngõ vào mức cao kích cho Q2 dẫn, trở Q2 khoảng 1K cầu phân áp RQ1 RQ2 cho phép áp khoảng 0,05V tức ngõ mức thấp Khi Vin = 0V, ngõ vào mức thấp, Q2 ngắt, trở lớn khoảng 1010 ohm Cầu phân áp RQ1 RQ2 đặt áp ngõ xấp xỉ nguồn, tức ngõ mức cao Vậy mạch hoạt động cổng NOT Cổng NOT xem mạch công nghệ MOS Nếu ta thêm Q3 mắc nối tiếp giống với Q2 cổng NAND Nếu ta mắc Q3 song song giống với Q2 cổng NOR Cổng AND cổng OR tạo cách thêm cổng NOT ngõ cổng NAND cổng NOR vừa tạo Như nói trước, NMOS để tạo cổng mà thường dùng để xây dựng mạch tổ hợp, mạch quy mô thường cỡ MSI trở lên, tất mạch tổ hợp mạch cổng logic kể Một số đặc điểm NMOS : Tốc độ chuyển mạch: chậm so với loại TTL điện trở đầu vào cao đồng thời bị ảnh hưởng tải dung tính mà thúc Giới hạn nhiễu khoảng 1,5V với nguồn 5V tăng tỉ lệ nguồn cấp tăng Như tính kháng nhiễu TTL Hệ số tải: lí thuyết lớn trở đầu vào mạch lớn, nhiên, tần số hoạt động cao (trên 100KHz) điện dung sinh làm suy giảm thời gian chuyển mạch kéo theo giảm khả giao tiếp tải So với TTL NMOS có hệ số tải cao hẳn trung bình 50 cổng loại Công suất tiêu tán: Đây ưu điểm bật logic MOS Thật vậy, chẳng hạn với cổng NOT đầu vào thấp RQ1 = 100k, RQ2 = 1010ohm nên dòng tiêu thụ I = V/R = 0,5nA => P =U.I = 2,5nW Khi đầu vào cao RQ1 = 100k, RQ2 1k nên dòng tiêu thụ I = V/R = 50uA ⇒ 0,25mW Vậy công suất trung bình cao 0,1 mW chút, so với TTL nhỏ Chính nhờ ưu điểm mà CMOS tích hợp cỡ LSI VLSI, nơi mà nhiều cổng, nhiều flip flop, nhiều mạch khác tích hợp chíp mà không sinh nhiệt lớn làm hỏng chip Cũng cần lưu ý logic MOS xây dựng từ transistor MOSFET nên nhạy tĩnh điện, phần sau ta đề cập chi tiết đến vấn đề CMOS 2.1 Cấu tạo CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp PMOS NMOS mạch nhờ tận dụng mạnh loại, nói chung nhanh đồng thời mát lượng thấp so với dùng rời loại Cấu tạo CMOS cổng NOT gồm transistor NMOS transistor PMOS hình 1.65 Hoạt động mạch tương tự NMOS Khi ngõ vào (nối chung cực cổng transistor) cao có Q1 dẫn mạnh áp lấy từ điểm chung cực máng transistor xấp xỉ 0V nên ngõ thấp Khi ngõ vào thấp Q1 ngắt Q2 dẫn mạnh, áp xấp xỉ nguồn, tức ngõ mức cao Để ý khác với cổng NOT NMOS, transistor không dẫn lúc nên dòng điện từ nguồn đổ qua transistor xuống mass nhờ công suất tiêu tán gần Tuy nhiên transistor chuyển mạch có tải có dòng điện chảy qua hay transistor nên công suất tiêu tán lại tăng lên Trên nguyên tắc cổng đảo, giống trước cách mắc song song hay nối tiếp thêm transistor ta thực cổng logic khác (hình 1.66) Chẳng hạn mắc chồng NMOS mắc song song PMOS ta cổng NAND Còn mắc chồng PMOS mắc song song NMOS ta cổng NOR 2.2 Phân loại Có nhiều loại IC logic CMOS với cách đóng vỏ (package) chân giống IC loại TTL Các IC có quy mô tích hợp nhỏ SSI vỏ DIP (dual inline package): với hai hàng chân thẳng hàng 14 hay 16 dùng phổ biến CMOS cũ họ 4000, 4500 Hãng RCA Mỹ cho đời loại CMOS lấy tên CD4000A Về sau RCA có cải tiến loạt CD4000B có thêm tầng đệm ra, sau hãng lại bổ sung thêm loạt CD4500, CD4700 Hãng Motorola (Mỹ) sau cho loạt CMOS MC14000, MC14000B, MC14500 tương thích với sản phẩm cũ RCA Đặc điểm chung loạt : • • • • Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mà thường từ đến 15 V Chúng có công suất tiêu hao nhỏ Riêng loại 4000B có thêm tầng đệm nên dòng lớn hơn, kháng nhiễu tốt mà tốc độ nhanh loại 4000A trước Tuy nhiên loại tốc độ tỏ chậm chạp dòng nhỏ nhiều so với loại TTL CMOS khác Chính chúng không sử dụng rộng rãi thiết kế đại Loại 74CXX Đây loại CMOS sản xuất để tương thích với loại TTL nhiều mặt chức năng, chân khoản nguồn nuôi rộng Các đặc tính loại tốt loại CMOS trước chút nhiên lại sử dụng có nhiều loại CMOS sau thay loại CMOS tốc độ cao 74HCXX 74HCTXX Đây loại CMOS phát triển từ 74CXX 74HCXX có dòng lớn tốc độ nhanh hẳn 74CXX, tốc độ tương đương với loại 74LSXX, công suất tiêu tán thấp Nguồn cho từ 2V đến 6V Còn 74HCTXX 74HCXX tương thích với TTL nhiều nguồn vào gần giống TTL : 4,5V đến 5,5V Do 74HCTXX thay trực tiếp cho 74LSXX giao tiếp với loại TTL bình thường Ngày 74HC 74HCT trở thành loại CMOS hay dùng mà lại thay trực tiếp cho loại TTL thông dụng Loại CMOS tiên tiến 74AC, 74ACT Loại chế tạo có nhiều cải tiến giống bên TTL, hẳn loại trước việc sử dụng hạn chế lí giá thành cao Chẳng hạn cấu trúc mạch chân xếp hợp lí giúp giảm ảnh hưởng đường tín hiệu vào chân loại khác với chân TTL Kháng nhiễu, trì hoãn truyền, tốc độ đồng hồ tối đa hẳn loại 74HC, 74HCT Kí hiệu chúng khác chút 74AC11004 tương ứng với 74HC04 74ACT11293 tương ứng với 74HCT293 Loại CMOS tốc độ cao FACT Đây sản phẩm hãng Fairchild, loại có tính trội sản phẩm tương ứng có Loại CMOS tốc độ cao tiên tiến 74AHC, 74AHCT Đây sản phẩm có cải tiến từ loại 74HC 74HCT, chúng tận dụng ưu điểm lớn TTL tốc độ cao CMOS tiêu tán thấp thay trực tiếp cho 74HC 74HCT Bảng sau cho phép so sánh công suất tiêu tán trì hoãn truyền loại TTL CMOS nguồn cấp điện 5V Ngoài loại công nghệ CMOS phát triển số loại gồm: BiCMOS Đây sản phẩm kết hợp công nghệ lưỡng cực TTL với công nghệ CMOS nhờ tận dụng ưu điểm cộng nghệ tốc độ nhanh công suất tiêu tán thấp Nó giảm 75% công suất tiêu tán so với loại 74F lúc giữ tốc độ đặc điểm điều khiển tương đương Nó có chân tương thích với TTL hoạt động áp nguồn 5V Tuy nhiên Bi CMOS thường tích hợp quy mô vừa lớn dùng nhiều giao diện vi xử lí nhớ, mạch chốt, đệm, điều khiển hay thu phát Loại CMOS điện thấp Đây loại CMOS đặc biết có áp nguồn giảm xuống khoảng 3V Khi áp giảm kéo theo giảm công suất tiêu tán bên mạch nhờ mật độ tích hợp mạch tăng lên, tốc độ chuyển mạch tăng lên điều cần thiết vi xử lí nhớ với quy mô tích hợp VLSI Cũng có nhiều loại CMOS áp thấp, xu hướng mai sau, nói qua số loại hãng Texas Instruments 74LV (low voltage) : loạt CMOS điện thấp tương ứng với vi mạch số SSI MSI công nghệ khác Nó hoạt động với vi mạch 3,3V khác 74LVC (low voltage CMOS ) : gồm nhiều mạch SSI MSI loạt 74 Nó nhận mức 5V ngõ vào nên dùng để chuyển đổi hệ thống dùng 5V sang dùng 3,3V khác Nếu giữ dòng điện ngõ đủ thấp để điện ngõ nằm giới hạn cho phép, giao tiếp với ngõ vào TTL 5V Tuy nhiên áp vào cao CMOS 5V 74HC hay 74AHC khiến chúng điều khiển từ vi mạch LVC 74ALVC (advanced low voltage CMOS ) : loạt CMOS điện thấp, chủ yếu để dùng cho mạch giao diện bus hoạt động 3,3V 74LVT (low voltage BiCMOS) : giống 74LVC hoạt động logic 5V dùng mạch số chuyển mức 5V sang 3V Bảng sau so sánh số đặc tính loại CMOS áp thấp CMOS cực máng hở, CMOS trạng thái CMOS nảy schmitt trigger Tương tự bên TTL, cổng CMOS có loại hở mảng, trạng thái nảy schmitt trigger, có nhiều loại CMOS sản xuất để tương thích thay cho loại TTL tương ứng CMOS racực máng hở Do dùng MOSFET nên ngõ cực thu mà cực máng Ở hình 1.67 trrình bày hai cổng NOT CMOS thường có ngõ nối chung với Nếu đầu vào cao 2P ngắt, 2N dẫn ngõ mức cao bình thường Nếu đầu vào thấp 2P dẫn, 2N ngắt ngõ mức thấp bình thường Nhưng ngõ vào cổng thấp ngõ vào cổng cao P1 dẫn N1 ngắt, P2 ngắt N2 dẫn áp ngõ nửa áp nguồn Vdd Áp rơi vào vùng bất định dùng kích tải với áp Vdd mà cao, dòng dẫn cao làm tiêu transistor cổng Vậy cách để cực D hở hợp trường hợp Trong cấu trúc mạch không MOSFET kênh P nữa, MOSFET kênh N để hở cực máng D Ta nối ngõ theo kiểu nối AND hay OR tất nhiên phải cần điện trở kéo lên để tạo mức logic cao, giá trị R kéo lên tính giống bên mạch loại TTL CMOS trạng thái Tương tự mạch bên TTL, mạch có thêm ngõ điều khiển G (hay C) G cao cổng nand nối, nên Y = A, ta có cổng đệm không đảo G thấp ngõ cổng nand lên cao làm PMOS NMOS ngưng dẫn trạng thái thứ hay gọi trạng thái trở kháng cao (high Z), lúc từ ngõ Y nhìn ngược vào mạch mạch (điện trở ngõ Y lên nguồn xuống mass lớn) Ngõ G tác động mức thấp Kí hiệu logic mạch Cổng nảy schmitt trigger tương tự nảy schmitt trigger bên mạch TTL Cổng truyền dẫn CMOS (transmission gate :TG) Đây loại cổng logic mà bên công nghệ lưỡng cực không có; cổng truyền dẫn hoạt động công tắc đóng mở (số) phép liệu (dạng số) truyền qua lại theo chiều Trước hết cấu tạo cổng truyền NMOS Tín hiệu truyền tương tự hay số miễn nằm khoảng đến Vdd Nhưng để dẽ minh hoạ ta giả sử lấy nguồn cấp 10V, áp ngưỡng NMOS 2V Khi ngõ vào thấp, tụ không nạp nên tất nhiên ngõ mức thấp Khi ngõ vào cao mà đường khiển G thấp ngõ thấp Khi ngõ vào cao G cao => NMOS dẫn với áp ngưỡng 2V nên tụ nạp đầy đến 8V NMOS ngắt, ngõ hiểu mức cao, tín hiệu truyền từ trái sang phải Khi mà ngõ vào xuống mức thấp tụ xả qua NMOS ngõ lên cao trở lại tức liệu truyền từ phải sang trái Tuy nhiên ta có nhận xét là, bị truyền liệu giảm biên độ 2V Với mạch số hiểu mức cao mức thấp, với mạch tương tự mát lượng nhiều rồi, bị ảnh hướng nặng nhiều cổng truyền mắc nối tiếp Cổng truyền CMOS : Hình 1.70 cho thấy cấu trúc cổng truyền CMOS dùng NMOS 1PMOS mắc song song, với giả sử bạn thấy CMOS khắc phục điểm dở NMOS sử dụng rộng rãi ngày Khi G thấp, không cho phép truyền Khi G cao, ngõ vào thấp ngõ thay đổi Còn ngõ vào cao transistor dẫn liệu truyền tù trái sang phải nạp cho tụ, ngõ mức cao có điểm khác tụ nạp đến 8V NMOS ngắt PMOS dẫn mạnh làm tụ nạp đủ 10V Khi ngõ 10V, ngõ G cao mà ngõ vào xuống thấp tụ xả ngược trở lại qua transistor làm ngõ vào lên cao trở lại Các kí hiệu cho cổng truyền hình 2.3 Đặc tính kỹ thuật Công suất tiêu tán Khi mạch CMOS trạng thái tĩnh (không chuyển mạch) công suất tiêu tán PD mạch nhỏ Có thể thấy điều phân tích mạch mạch cổng nand hay nor trước Với nguồn 5V, PD cổng khoảng 2,5nW Tuy nhiên PD gia tăng đáng kể cổng CMOS phải chuyển mạch nhanh Chẳng hạn tần số chuyển mạch 100KHz PD 10 nW, f=1MHz PD= 0,1mW Đến tần số cỡ hay MHz PD CMOS tương đương với PD 74LS bên TTL, tức dần ưu Lý có điều chuyển mạch transistor dẫn khiến dòng bị hút mạnh để cấp cho phụ tải điện dung (sinh xung nhọn làm biên độ dòng bị đẩy lên có cỡ 5mA thời gian tồn khoảng 20 đến 30 ns) Tần số chuyển mạch lớn sinh nhiều xung nhọn làm I tăng kéo theo P tăng theo P công suất động lưu trữ điện dung tải Điện dung bao gồm điện dung đầu vào kết hợp tải kích thích điện dung đầu riêng thiết bị Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch) Cũng giống mạch TTL, mạch CMOS phải có trì hoãn truyền để thực chuyển mạch Nếu trì hoãn làm tPH nửa chu kì tín hiệu vào dạng song vuông trở thành xung tam giác khiến mạch tác dụng logic Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch CMOS nhanh hẳn loại TTL điện trở đầu thấp trạng thái Tốc độ chuyển mạch tăng lên tăng nguồn điều làm tăng công suất tiêu tán, ảnh hưởng tải điện dung Giới hạn tốc độ chuyển mạch cho phép làm nên tần số chuyển mạch tối đa tính dựa tPH Bảng sau cho phép so sánh fmax số loại cổng nand loại TTL với CMOS Trong việc sử dụng IC logic CMOS ta phải biết nhiều đặc tính giới hạn chúng Các đặc tính thông dụng áp nuôi, số toả ra, khả dòng ra, thường dễ vận dụng Tất IC logic dùng nguồn nuôi 5V Số toả với loại logic gần chục lúc thường chì cần vài Tuy nhiên có nghi ngờ hay sử dụng trường hợp áp cấp Vmax, fmax, tải dung cảm hay giao tiếp IC khác loại, khác áp nguồn, nói chung trường hợp đặc biệt ta phải tham khảo tài liệu data sheet hay data book Cũng bên TTL, số đặc tính CMOS nói đến là: Áp nguồn nuôi ký hiệu Vdd (khác với bên TTL ký hiệu Vcc) khác cần cẩn thận với nó, dùng nguồn 5V tốt Bảng sau đưa khoảng áp nguồn cho loại CMOS Điện áp vào loại CMOS Cũng giống bên TTL kí hiệu, tên gọi bên CMOS có phức tạp nguồn nuôi cho loại IC khác nhau, ta rút tương đối điều kiện nguồn Vdd = 5V Hình bảng nêu thông số áp vào Riêng loại 74HCT CMOS tốc độ cao tương thích với TTL nên thông số giống bên TTL Dòng điện ngõ vào ngõ bảng so sánh dòng vào số loại CMOS với số loại TTL Nói chung ta quan tâm đến dòng nhiều dòng max cho phép mà đảm bảo mức logic phần Còn áp quan tâm tính đến việc giao tiếp cổng khác loại khác áp nuôi Hệ số tải Dòng CMOS lớn lúc điện trở vào CMOS lại lớn (thường khoảng 1012 ohm) tức dòng vào rất nhỏ nên số toả lớn Nhưng cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường khoảng 5pF nên có nhiều cổng tải mắc song song số điện dung tăng lên làm tốc độ chuyển mạch chậm lại khiến số toả tần số thấp (dưới 1MHz) vài chục, tần số cao số tạo giảm 10 Tính kháng nhiễu Về đặc tính chuyển (trạng thái) nói chung loại CMOS chuyển trạng thái dứt khoát trừ loại 4000A chúng có tầng đệm trước ngõ Về giới hạn nhiễu nói chung tốt loại TTL Tốt loại 4000A,B Giới hạn nhiễu tốt ta tăng nguồn nuôi lớn 5V, nhiên lúc tổn hao tăng theo Cách tính lề nhiễu mức cao mức thấp trước, tức là: VNH = VOH(min) – VIH(min) VNL = VIL(max) – VIH(max) CÁC IC CỔNG LOGIC Có nhiều IC loại CMOS có mã số chức logic tương tự IC TTL chẳng hạn bên TTL IC cổng nand ngõ vào 7400, 74LS00, 74AS00, bên CMOS tương tự có 74C00, 74HC/HCT00, 74AC11000, Tuy nhiên tất bên TTL có bên CMOS có CMOS có loại riêng, chẳng hạn với cổng nảy schmitt trigger 74HC/HCT14 gồm cổng đảo, 74HC/HCT132 gồm cổng nand ngõ vào có 4014, 4534 gồm cổng đảo, 4093 gồm cổng nand ngõ vào; hay 4066 cổng truyền chiều số tương tự vv Hình 1.74 sơ đồ chân số cổng logic loại 4000 hay dùng ... Ngoài loại công nghệ CMOS phát triển số loại gồm: BiCMOS Đây sản phẩm kết hợp công nghệ lưỡng cực TTL với công nghệ CMOS nhờ tận dụng ưu điểm cộng nghệ tốc độ nhanh công suất tiêu tán thấp Nó giảm... 74LVT (low voltage BiCMOS) : giống 74LVC hoạt động logic 5V dùng mạch số chuyển mức 5V sang 3V Bảng sau so sánh số đặc tính loại CMOS áp thấp CMOS cực máng hở, CMOS trạng thái CMOS nảy schmitt trigger... nguồn nuôi rộng Các đặc tính loại tốt loại CMOS trước chút nhiên lại sử dụng có nhiều loại CMOS sau thay loại CMOS tốc độ cao 74HCXX 74HCTXX Đây loại CMOS phát triển từ 74CXX 74HCXX có dòng lớn