Vi mạch số họ cmos

Công nghệ MOS (Metal Oxide Semiconductor-kim 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.

Ưu điểm chính của MOSFET là dễ chế tạo, phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao rất ít điện năng. Kĩ thuật làm IC MOS chỉ rắc rối bằng 1/3 kĩ thuật làm IC lưỡng cực (TTL, ECL,...). Thêm vào đó, thiết bị MOS chiếm ít chỗ trên chip hơn so với BJT, thông thường, mỗi MOSFET chỉ cần 1 mi li vuông diện tích chip, trong khi BJT đòi hỏi khoảng 50 mi li vuông. Quan trọng hơn, IC số MOS thường không dùng các thành phần điện trở trong IC, vốn chiếm quá nhiều diện tích chip trong IC lưỡng cực. Vì vậy, IC MOS có thể dung nạp nhiều phần tử mạch trên 1 chip đơn hơn so với IC lưỡng cực. Bằng chứng là ta sẽ thấy MOS dùng nhiều trong vi mạch tích hợp cỡ LSI, VLSI hơn hẳn TTL. Mật độ tích hợp cao của IC MOS làm chúng đặc biết thích hợp cho các IC phức tạp, như chip vi xử lí và chip nhớ. Sửa đổi trong công nghệ IC MOS đã cho ra những thiết bị nhanh hơn 74, 74LS của TTL, với đặc điểm điều khiển dòng gần như nhau. Do vậy, thiết bị MOS đặc biệt là CMOS đã đã được sử dụng khá rộng rãi trong mạch MSI mặc dù tốc độ có thua các IC TTL cao cấp và dễ bị hư hỏng do bị tĩnh điện.

Mạch số dùng MOSFET được chia thành 3 nhóm là:

- PMOS dùng MOSFET kênh P

- NMOS dùng MOSFET kênh N tăng cường

- CMOS (MOS bù) dùng cả 2 thiết bị kênh P và kênh N

Các IC số PMOS và NMOS có mật độ đóng gói lớn hơn (nhiều transistor trong 1 chip hơn) và do đó kinh tế hơn CMOS. NMOS có mật độ đóng gói gần gấp đôi PMOS. Ngoài ra, NMOS cũng nhanh gần gấp 2 lần PMOS, nhờ dữ kiện các điện tử tự do là những hạt tải dòng trong NMOS, còn các lỗ trống (điện tích dương chuyển động chậm hơn) là hạt tải dòng cho PMOS. CMOS rắc rối nhất và có mật độ đóng gói thấp nhất trong các họ MOS, nhưng nó có điểm mạnh là tốc độ cao hơn và công suất tiêu thụ thấp hơn. IC NMOS và CMOS được dùng rộng rãi trong lĩnh vực kĩ thuật số, nhưng IC PMOS không còn góp mặt trong các thiết kế mới nữa. Tuy nhiên MOSFET kênh P vẫn rất quan trọng bởi vì chúng được dùng trong mạch CMOS.

Trước khi đi vào công nghệ CMOS ta hãy tìm hiểu qua về NMOS. Cũng cần phải biết rằng PMOS tương ứng cũng giống hệt NMOS, chỉ khác ở chiều điện áp.

Mạch gồm 2 MOSFET: Q2 làm chuyển mạch còn Q1 làm tải cố định và luôn dẫn, điện trở của Q1 khoảng 100 kW

Ngõ vào mạch đặt ở cực G của Q2, còn ngõ ra lấy ở điểm chung của cực S Q1 và cực D Q2. Nguồn phân cực cho mạch giả sử dùng 5V.

Khi Vin = 5 V, ngõ vào mức cao kích cho Q2 dẫn, trở trên Q2 còn khoảng 1K cầu phân áp giữa RQ1 và RQ2 cho phép áp ra còn khoảng 0,05V tức là ngõ ra ở mức thấp

Khi Vin = 0V, ngõ vào ở mức thấp, Q2 ngắt, trở trên nó khá lớn khoảng 1010 ohm. Cầu phân áp RQ1 và RQ2 sẽ đặt áp ngõ ra xấp xỉ nguồn, tức là ngõ ra ở mức cao.

Vậy mạch hoạt động như một cổng NOT. Cổng NOT được xem là mạch cơ bản nhất của công nghệ MOS. Nếu ta thêm Q3 mắc nối tiếp và giống với Q2 thì sẽ được cổng NAND. Nếu ta mắc Q3 song song và giống với Q2 thì sẽ được cổng NOR. Cổng AND và cổng OR được tạo ra bằng cách thêm cổng NOT ở ngõ ra của cổng NAND và cổng NOR vừa được tạo ra.

Như đã nói ở trước, NMOS không phải để tạo ra các cổng mà thường dùng để xây dựng mạch tổ hợp, mạch tuần tự quy mô thường cỡ MSI trở lên, nhưng tất cả những mạch đó về cơ bản vẫn chỉ là tổ hợp của các mạch cổng logic được kể ra ở đây.

Một số đặc điểm của NMOS :

Tốc độ chuyển mạch: chậm hơn so với loại TTL do điện trở đầu vào khá cao đồng thời bị ảnh hưởng bởi tải dung tính mà nó thúc

Giới hạn nhiễu khoảng 1,5V với nguồn 5V và sẽ tăng tỉ lệ khi nguồn cấp tăng. Như vậy là tính kháng nhiễu kém hơn TTL

Hệ số tải: về lí thuyết là rất lớn do trở đầu vào của mạch rất lớn, tuy nhiên, nếu tần số hoạt động càng cao (trên 100KHz) thì điện dung sinh ra có thể làm suy giảm thời gian chuyển mạch kéo theo giảm khả năng giao tiếp tải. So với TTL thì NMOS vẫn có hệ số tải cao hơn hẳn trung bình là 50 cổng cùng loại.

Công suất tiêu tán: Đây là ưu điểm nổi bật của logic MOS. Thật vậy, chẳng hạn với cổng NOT ở trên khi 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 Þ 0,25mW

Vậy công suất trung bình chỉ cao hơn 0,1 mW một chút, so với TTL thì nó quá nhỏ.

Chính nhờ ưu điểm này mà CMOS có thể tích hợp cỡ LSI và VLSI, nơi mà nhiều cổng, nhiều flip flop, nhiều mạch khác được tích hợp trong một chíp mà không sinh ra nhiệt lớn làm hỏng chip.

Cũng cần lưu ý là logic MOS do đều được xây dựng từ các transistor MOSFET nên rất nhạy tĩnh điện, ở phần sau ta sẽ đề cập chi tiết đến vấn đề này.