- Tùy theo loại MOSFET được dùng mă cơng nghệ năy cịn được chia thănh câc loại sau:
2.1.3 Họ CMOS: (Complementary MOS)
Ở đđy sử dụng câc cặp MOSFET kính n vă kính p ở chế độ tải tích cực do đĩ cơng suất tiíu thụ rất nhỏ, trung bình khoảng 10µW/cổng. CMOS lại rất tin cậy vì ngưỡng đổi trạng thâi logic bằng khoảng ½ điện âp nuơi. Tuy nhiín tần số lăm việc vă mức tích hợp cĩ phần năo bị hạn chế so với NMOS. Câc vi mạch CMOS thường được dùng trong câc thiết bị điện tử y tế, quđn sự, cơng nghiệp, …Mặc dù cịn rất đắt nhưng chúng cĩ khả năng thay thế họ NMOS trong tương lai.
Hình 2.2. Cấu tạo một cổng CMOS
Những loại SOSMOS (CMOS trín Saphỉre) vă họ HCMOS gần đđy đê đạt được tốc độ xấp xỉ TTL trong khi mật độ tích hợp rất cao (như PMOS). Nhược điểm của chúng lă khi lăm việc ở 5V thích hợp với TTL thì tốc độ bị giảm đi nhiều.
a. Phđn loại:
Cĩ nhiều loại IC logic CMOS với câch đĩng vỏ (package) vă chđn ra giống như câc IC loại TTL. Câc IC cĩ quy mơ tích hợp nhỏ SSI vỏ DIP (dual inline package): với hai hăng chđn thẳng hăng 14 hay 16 được dùng phổ biến.
CMOS cũ họ 4000, 4500:
Hêng RCA của Mỹ đê cho ra đời loại CMOS đầu tiín lấy tín CD4000A. Về sau RCA cĩ cải tiến để cho ra loạt CD4000B cĩ thím tầng đệm ra, sau năy hêng lại bổ sung thím loạt CD4500, CD4700.
Hêng Motorola (Mỹ) sau đĩ cũng cho ra loạt CMOS MC14000, MC14000B, MC14500 tương thích với sản phẩm cũ của RCA.
Đặc điểm chung của loạt năy lă:
- Điện âp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mă thường nhất lă từ 5 đến 15 V.
- Cơng suất tiíu hao nhỏ.
- Riíng loại 4000B do cĩ thím tầng đệm ra nín dịng ra lớn hơn, khâng nhiễu tốt hơn mă tốc độ cũng nhanh hơn loại 4000A trước đĩ.
- Tuy nhiín câc loại trín về tốc độ thì tỏ ra khâ chậm chạp vă dịng cũng nhỏ hơn nhiều so với câc loại TTL vă CMOS khâc. Chính vì vậy chúng khơng được sử dụng rộng rêi ở câc thiết kế hiện đại.
Loại 74CXX:
Đđy lă loại CMOS được sản xuất ra để tương thích với câc loại TTL về nhiều mặt như chức năng, chđn ra nhưng khoản nguồn nuơi thì rộng hơn. Câc đặc tính của loại năy tốt hơn loại CMOS trước đĩ một chút tuy nhiín nĩ lại ít được sử dụng do đê cĩ nhiều loại CMOS sau đĩ thay thế loại CMOS tốc độ cao 74HCXX vă 74HCTXX. Đđy lă 2 loại CMOS được phât triển từ 74CXX.
74HCXX cĩ dịng ra lớn vă tốc độ nhanh hơn hẳn 74CXX, tốc độ của nĩ tương đương với loại 74LSXX, nhưng cơng suất tiíu tân thì thấp hơn. Nguồn cho nĩ lă từ 2V đến 6V.
Cịn 74HCTXX chính lă 74HCXX nhưng tương thích với TTL nhiều hơn như nguồn văo gần giống TTL: 4,5V đến 5,5V. Do đĩ 74HCTXX cĩ thể thay thế trực tiếp cho 74LSXX vă giao tiếp với câc loại TTL rất bình thường.
Ngăy nay 74HC vă 74HCT trở thănh loại CMOS hay dùng nhất mă lại cĩ thể thay thế trực tiếp cho loại TTL thơng dụng.
Loại CMOS tiín tiến 74AC, 74ACT:
Loại năy được chế tạo ra cĩ nhiều cải tiến cũng giống như bín TTL, nĩ sẽ hơn hẳn câc loại trước đĩ nhưng việc sử dụng cịn hạn chế cũng vẫn ở lí do giâ thănh cịn cao.
Chẳng hạn cấu trúc mạch vă chđn ra được sắp xếp hợp lí giúp giảm những ảnh hưởng giữa câc đường tín hiệu văo ra do đĩ chđn ra của 2 loại năy khâc với chđn ra của TTL.
Khâng nhiễu, trì hoên truyền, tốc độ đồng hồ tối đa đều hơn hẳn loại 74HC, 74HCT. Kí hiệu của chúng hơi khâc một chút như 74AC11004 lă tương ứng với 74HC04. 74ACT11293 lă tương ứng với 74HCT293.
Loại CMOS tốc độ cao FACT:
Đđy lă sản phẩm của hêng Fairchild, loại năy cĩ tính năng trội hơn câc sản phẩm tương ứng đê cĩ.
Loại CMOS tốc độ cao tiín tiến 74AHC, 74AHCT:
Đđy lă sản phẩm mới đê cĩ những cải tiến từ loại 74HC vă 74HCT, chúng tận dụng được cả 2 ưu điểm lớn nhất của TTL lă tốc độ cao vă của CMOS lă tiíu tân thấp do đĩ cĩ thể thay thế trực tiếp cho 74HC vă 74HCT.
Bảng sau cho phĩp so sânh cơng
Loại PD(mW) TD(ns) TTL 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 10 20 2 8 2 4 10 3 10 2 4 3 CMOS 4000 0 100
suất tiíu tân vă trì hoên truyền của câc loại TTL vă CMOS ở nguồn cấp điện 5V.
4500 74C 74HC 74HCT 74AC 74ACT 0 0 0 0 0 0 100 50 10 10 3 3
Ngoăi câc loại trín cơng nghệ CMOS cũng phât triển một số loại mới gồm: BiCMOS:
Đđy lă sản phẩm kết hợp cơng nghệ lưỡng cực TTL với cơng nghệ CMOS nhờ đĩ tận dụng được cả 2 ưu điểm của 2 cộng nghệ lă tốc độ nhanh vă cơng suất tiíu tân thấp. Nĩ giảm được 75% cơng suất tiíu tân so với loại 74F trong lúc vẫn giữ được tốc độ vă đặc điểm điều khiển tương đương. Nĩ cũng cĩ chđn ra tương thích với TTL vă hoạt động ở âp nguồn 5V. Tuy nhiín Bi CMOS thường chỉ được tích hợp ở quy mơ vừa vă lớn dùng nhiều trong giao diện vi xử lí vă bộ nhớ, như mạch chốt, bộ đệm, bộ điều khiển hay bộ thu phât.
Loại CMOS điện thế thấp:
Đđy lă loại CMOS khâ đặc biết cĩ âp nguồn giảm xuống chỉ cịn khoảng 3V. Khi âp giảm sẽ kĩo theo giảm cơng suất tiíu tân bín trong mạch nhờ đĩ mật độ tích hợp của mạch tăng lín, rồi tốc độ chuyển mạch cũng tăng lín điều năy rất cần thiết trong câc bộ vi xử lí bộ nhớ ... với quy mơ tích hợp VLSI. Cũng cĩ khâ nhiều loại CMOS âp thấp, vă đđy lă xu hướng của mai sau, ở đđy chỉ nĩi qua về một số loại của hêng Texas Instruments
- 74LV (low voltage): lă loạt CMOS điện thế thấp tương ứng với câc vi mạch số SSI vă MSI của câc cơng nghệ khâc. Nĩ chỉ hoạt động được với câc vi mạch 3,3V khâc
- 74LVC (low voltage CMOS ): gồm rất nhiều mạch SSI vă MSI như loạt 74. Nĩ cĩ thể nhận mức 5V ở câc ngõ văo nín cĩ thể dùng để chuyển đổi câc hệ thống dùng 5V sang dùng 3,3V khâc. Nếu giữ dịng điện ở ngõ ra đủ thấp để điện thế ngõ ra nằm trong 1 giới hạn cho phĩp, nĩ cũng cĩ thể giao tiếp với câc ngõ văo TTL 5V. Tuy nhiín âp văo cao của câc CMOS 5V như 74HC hay 74AHC khiến chúng khơng thể điều khiển từ câc vi mạch LVC.
- 74ALVC (advanced low voltage CMOS ): lă loạt CMOS điện thế thấp, chủ yếu để dùng cho câc mạch giao diện bus hoạt động ở 3,3V.
- 74LVT (low voltage BiCMOS): giống như 74LVC cĩ thể hoạt động ở logic 5V vă cĩ thể dùng như mạch số chuyển mức 5V sang 3V.
Bảng sau so sânh một số đặc tính của câc loại CMOS âp thấp:
VCCVIH VIH VIL IOH IOL Trì hoên truyền 2,7 đến 3,6V 2 đến VCC+ 0,5 0,8 6 6 18 2 đến 3,6V 2 đến 6,5 0,8 24 24 6,5 2,3 đến 3,6V 2 đến 4,6 0,8 32 64 3 2,7 đến 3,6V 2 đến 7 0,8 32 64 3 b, Một số mạch logic dùng họ CMOS: a, A G1 S1 S2 Z D1 T1 T2 D2 G2 +VDD +VDD G TB D b, S TB Z S S G TA D TB S A B TA D +VDD DA' DA DB DB' +VDD
Hình 2.3. Cổng logic dùng cơng nghệ CMOS. a, Cổng NOT; b, Cổng NOR.
Mạch hình 2.3.a, lă dạng cổng NOT dùng cơng nghệ CMOS (ở đđy cĩ cặp MOSFET kính cảm ứng T1 loại kính N, T2 loại kính p được chế tạo theo kểi sinh đơi) Nếu khơng sử dụng điện trở tải RD mắc ở cực mâng của T1, RD cĩ giâ trị văi chục kΩ vă giâ trị RD lớn đảm bảo đặc tính chuyển mạch lúc tĩnh tốt do cơng suất tieu thụ lúc T1 nối mạch nhỏ vă mức điện thế thấp (Z = 0) ứng với VZ cĩ giâ trị nhỏ, việc chuyển trạng thâi của T1 cĩ độ dốc từ mức 1 về mức 0 lớn nín thời gian trễ nhỏ, chống nhiễu tốt. Tuy nhiín khi tải cĩ tính điện dung (Ctải) (thường gặp trong thực tế đặc biệt với nhĩm cơng nghệ MOS, khi ghĩp liín tiếp câc cổng MOS lại), do quâ trình nạp của Ctải qua RD từ mức Z = 0 đến mức Z = 1 xảy ra chậm vì RD lớn gđy ảnh hưởng nghiím trọng tới việc chuyển từ mức thấp tới mức cao của VZ (chuyển giâ trị của Z từ o lín 1). Vì câc lý do đĩ người ta thay thế RDbằng tải T2.
Mạch hình 2.3.a, T2 lă loại MOS kính P cảm ứng, câc cực cữa G1, G2 nối chung vă lăm đầu văo, câc cực D1 , D2 nối chung thănh đầu ra, khi lăm việc S2 nối cực dương
nguồn +VDD cịn S1 nối với 0V. Chọn VDD > VP1 + VP2 (VP1 vă VP2 lă câc điện âp mở của T1 vă T2 ). Khi A = 0 (VA ở mức thấp) T1 ngắt mạch do đĩ VGS2=
- VDD>VP2 lăm T2 nối mạch, điện thế đầu ra ở mức rất cao Z = 1. Cịn khi A = 1 (VA ở mức cao hơn giâ trị VP1) T1 nối mạch lăm VGS2 = 0 vă T2 ngắt mạch điện thế đầu ra ở mức thấp.
Như vậy với mọi giâ trị A (bằng 0 hay bằng 1) trong cặt T1, T2 luơn cĩ một phần tử ngắt mạch, dịng điện tĩnh đi qua chúng xấp xỉ bằng vă cơng suất tií hao ở chế độ tĩnh đạt nhỏ tới cỡ 10-6 đến 10-7W rất cĩ ưu điểm trong chế tạo tích hợp chúng với mật độ lớn thănh IC số, đđy lă cơng nghệ tiín tiến nhất của IC số.
Mạch hình 2.3.b, sử dụng 2 cặp FET TA, TA’ vă TB, TB’ chế tạo theo cơng nghệ CMOS. Mạch lăm việc như sau: khi cĩ ít nhất một đầu văo ở mức cao (Ví dụ A = 1) TA nối mạch vă Z ở mức thấp (Z = 0). Khi A = B = 0 cả TA vă TB ngắt mạch Z, chuyển lín mức điện thế cao (Z = 1). Cổng hoạt động tuđn theo qui luật của bảng chđn lý hăm NOR.
Đường nĩt đứt lă câc đầu văo A, B sử dụng câc diode DA, DA’ vă DB, DB’ cĩ nhiệm vụ bảo vệ cữa văo chống bị đânh thủng lớp điện mơi câch ly cực G vă kính hay đânh thủng tĩnh điện với lớp năy.
b, Câc IC CMOS:
Cĩ rất nhiều IC loại CMOS cĩ mê số vă chức năng logic tương tự như câc IC TTL chẳng hạn bín TTL IC 4 cổng nand 2 ngõ văo lă 7400, 74LS00, 74AS00,... thì bín CMOS cũng tương tự cĩ 74C00, 74HC/HCT00, 74AC11000,... Tuy nhiín khơng phải tất cả bín TTL cĩ thì bín CMOS cũng cĩ. CMOS cũng cịn cĩ những loại riíng, chẳng hạn với cổng nảy schmitt trigger ngoăi 74HC/HCT14 gồm 6 cổng đảo, 74HC/HCT132 gồm 4 cổng nand 2 ngõ văo cịn cĩ 4014, 4534 cũng gồm 6 cổng đảo, 4093 cũng gồm 4 cổng nand 2 ngõ văo; hay 4066 lă cổng truyền 2 chiều số tương tự vv...
Hình 2.4. Sơ đồ chđn của một số IC CMOS.