IC số Cmos

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 hao 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.

Hình 1.64 là cấu tạo của 1 cổng NOT loại NMOS cơ bản

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 :

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.

2.1 Cấu tạo

CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp cả PMOS và NMOS trong cùng 1 mạch nhờ đó tận dụng được các thế mạnh của cả 2 loại, nói chung là nhanh hơn đồng thời mất mát năng lượng còn thấp hơn khi dùng rời từng loại một. Cấu tạo cơ bản nhất của CMOS cũng là một cồng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor PMOS như hình 1.65

Hoạt động của mạch cũng tương tự như ở NMOS

Khi ngõ vào (nối chung cực cổng 2 transistor) ở cao thì chỉ có Q1 dẫn mạnh do đó áp ra lấy từ điểm chung của 2 cực máng của 2 transistor sẽ xấp xỉ 0V nên ngõ ra ở thấp.

Khi ngõ vào ở thấp Q1 sẽ ngắt còn Q2 dẫn mạnh, áp ra xấp xỉ nguồn, tức ngõ ra ở mức cao.

Để ý là khác với cổng NOT của NMOS, ở đây 2 transistor không dẫn cùng một lúc nên không có dòng điện từ nguồn đổ qua 2 transistor xuống mass nhờ đó công suất tiêu tán gần như bằng 0. Tuy nhiên khi 2 transistor đang chuyển mạch và khi có tải thì sẽ có dòng điện chảy qua một hay cả 2 transistor nên khi này công suất tiêu tán lại tăng lên.

Trên nguyên tắc cổng đảo, cũng giống như trước bằng cách mắc song song hay nối tiếp thêm transistor ta có thể thực hiện được các cổng logic khác (hình 1.66). Chẳng hạn mắc chồng 2 NMOS và mắc song song 2 PMOS ta được cổng NAND. Còn khi mắc chồng 2 PMOS và mắc song song 2 NMOS ta được cổng NOR.

2.2 Phân loại

Có nhiều loại IC logic CMOS với các đóng vỏ (package) và chân ra giống như các loại TTL. Ở các IC có quy mô tích hợp nhỏ SSI vỏ DIP (dual inline package): với hai hàng chân thẳng hàng 14 hay 16 chân là hay được dùng hơn cả.

Loại CMOS tiên tiến 74AC, 74ACT

Loại này được chế tạo ra có nhiều cải tiến cũng giống như bên TTL, nó sẽ hơn hẳn các loại trước đó nhưng việc sử dụng còn hạn chế cũng vẫn ở lí do giá thành còn cao.

Chẳng hạn cấu trúc mạch và chân ra được sắp xếp hợp lí giúp giảm những ảnh hưởng giữa các đường tín hiệu vào ra do đó chân ra của 2 loại này thì khác chân ra của TTL.

Kháng nhiễu, trì hoãn truyền, tốc độ đồng hồ tối đa đều hơn hẳn loại 74HC, 74HCT.

Kí hiệu của chúng hơi khác một chút như 74AC11004 là tương ứng với 74HC04. 74ACT11293 là tương ứng với 74HCT293.

Loại CMOS tốc độ cao FACT

Đây là sản phẩm của hãng Fairchild, loại này có tính năng trội hơn các sản phẩm tương ứng đã có.

Loại CMOS tốc độ cao tiên tiến 74AHC, 74AHCT

Đây là sản phẩm mới đã có những cải tiến từ loại 74HC và 74HCT, chúng tận dụng được cả 2 ưu điểm lớn nhất của TTL là tốc độ cao và của CMOS là tiêu tán thấp do đó có thể thay thế trực tiếp cho 74HC và 74HCT.

Bảng sau cho phép so sánh công suất tiêu tán và trì hoãn truyền của các loại TTL và CMOS ở nguồn cấp điện 5V.

Ngoài các loại trên công nghệ CMOS cũng phát triển một số loại mới gồm:

BiCMOS

Đây là sản phẩm kết hợp công nghệ lưỡng cực TTL với công nghệ CMOS nhờ đó tận dụng được cả 2 ưu điểm của 2 cộng nghệ là tốc độ nhanh và công suất tiêu tán thấp. Nó giảm được 75% công suất tiêu tán so với loại 74F trong lúc vẫn giữ được tốc độ và đặc điểm điều khiển tương đương. Nó cũng có chân ra tương thích với TTL và hoạt động ở áp nguồn 5V. Tuy nhiên Bi CMOS thường chì được tích hợp ở quy mô vừa và lớn dùng nhiều trong giao diện vi xử lí và bộ nhớ, như mạch chốt, bộ đệm, bộ điều khiển hay bộ thu phát.

Loại CMOS điện thế thấp

Đây là loại CMOS khá đặc biết có áp nguồn giảm xuống chỉ còn khoảng 3V. Khi áp giảm sẽ kéo theo giảm công suất tiêu tán bên trong mạch nhờ đó mật độ tích hợp của mạch tăng lên, rồi tốc độ chuyển mạch cũng tăng lên điều này rất cần thiết trong các bộ vi xử lí bộ nhớ ... với quy mô tích hợp VLSI. Cũng có khá nhiều loại CMOS áp thấp, và đây là xu hướng của mai sau, ở đây chỉ nói qua về một số loại của hãng Texas Instruments

74LV (low voltage) : là loạt CMOS điện thế thấp tương ứng với các vi mạch số SSI và MSI của các công nghệ khác. Nó chỉ hoạt động được với các vi mạch 3,3V khác

74LVC (low voltage CMOS ) : gồm rất nhiều mạch SSI và MSI như loạt 74. Nó có thể nhận mức 5V ở các ngõ vào nên có thể dùng để chuyển đổi các hệ thống dùng 5V sang dùng 3,3V khác. Nếu giữ dòng điện ở ngõ ra đủ thấp để điện thế ngõ ra nằm trong gcac1 giới hạn cho phép, nó cũng có thể giao tiếp với các ngõ vào TTL 5V. Tuy nhiên áp vào cao VIH của các CMOS 5V như 74HC hay 74AHC khiến chúng không thể được thúc từ các vi mạch LVC

74ALVC (advanced low voltage CMOS ) : là loạt CMOS điện thế thấp co cấp nh6t1, chủ yếu để dùng cho các mạch giao diện bus hoạt động ở 3,3V

74LVT (low voltage BiCMOS) : giống như 74LVC có thể hoạt động ởl logic 5V và có thể dùng như mạch số chuyển mức 5 V sang 3V

Bảng sau so sánh một số đặc tính của các loại CMOS áp thấp

CMOS cực máng hở, CMOS ra 3 trạng thái và CMOS nảy schmitt trigger

Tương tự như bên TTL, các cổng CMOS cũng có các loại ra hở mảng, ra 3 trạng thái và nảy schmitt trigger, vì có nhiều loại CMOS được sản xuất để tương thích và thay thế cho loại TTL tương ứng.

CMOS ra hở máng

Do dùng MOSFET nên ngõ ra không phải là cực thu mà là cực máng

Ở hình 1.67 trrình bày hai cổng NOT CMOS thường có ngõ ra nối chung với nhau

Nếu 2 đầu vào ở cao thì 2P ngắt, 2N dẫn ngõ ra mức cao bình thường.

Nếu 2 đầu vào ở thấp thì 2P dẫn, 2N ngắt ngõ ra mức thấp bình thường.

Nhưng nếu ngõ vào cổng 1 ở thấp còn ngõ vào cổng 2 ở cao thì P1 dẫn N1 ngắt, P2 ngắt N2 dẫn áp ngõ ra sẽ là nửa áp nguồn Vdd. Áp này rơi vào vùng bất định không thể dùng kích các tải được hơn nữa với áp Vdd mà cao, dòng dẫn cao có thể làm tiêu 2 transistor của cổng.

Vậy cách để cực D ra hở là hợp trong trường hợp này. Trong cấu trúc mạch sẽ không còn MOSFET kênh P nữa, còn MOSFET kênh N sẽ để hở cực máng D. Ta có thể nối các ngõ ra theo kiểu nối AND hay OR và tất nhiên là cũng phải cần điện trở kéo lên để tạo mức logic cao, giá trị của R kéo lên tính giống như bên mạch loại TTL.

CMOS ra 3 trạng thái

Tương tự mạch bên TTL, mạch có thêm ngõ điều khiển G (hay C).

G ở cao 2 cổng nand nối, nên Y = A, ta có cổng đệm không đảo

G ở thấp ngõ ra của 2 cổng nand lên cao làm PMOS và NMOS cùng ngưng dẫn và đây là trạng thái thứ 3 hay còn gọi là trạng thái trở kháng cao (high Z), lúc bấy giờ từ ngõ ra Y nhìn ngược vào mạch thì mạch như không có (điện trở ngõ ra Y lên nguồn và xuống mass đều rất lớn).

Ngõ G cũng có thể tác động ở mức thấp

Kí hiệu logic của mạch

Cổng nảy schmitt trigger tương tự nảy schmitt trigger bên mạch TTL

Cổng truyền dẫn CMOS (transmission gate :TG)

Đây là loại cổng logic mà bên công nghệ lưỡng cực không có; cổng truyền dẫn hoạt động như một công tắc đóng mở (số) để cho phép dữ liệu (dạng số) truyền qua lại theo cả 2 chiều.

Trước hết là cấu tạo của cổng truyền NMOS

Tín hiệu truyền có thể là tương tự hay số miễn nằm trong khoảng 0 đến Vdd. Nhưng ở đây để dẽ minh hoạ ta giả sử lấy nguồn cấp là 10V, áp ngưỡng của NMOS sẽ là 2V

Khi ngõ vào ở thấp, tụ sẽ không được nạp nên tất nhiên ngõ ra cũng là mức thấp

Khi ngõ vào ở cao mà đường khiển G vẫn ở thấp thì ngõ ra cũng vẫn ở thấp

Khi ngõ vào ở cao và G ở cao => NMOS dẫn với áp ngưỡng 2V nên tụ nạp đầy đến 8V thì NMOS ngắt, ngõ ra có thể hiểu là mức cao, do đó tín hiệu đã được truyền từ trái sang phải

Khi này mà ngõ vào xuống mức thấp thì tụ sẽ xả qua NMOS do đó ngõ ra lên cao trở lại tức là dữ liệu đã truyền từ phải sang trái

Tuy nhiên ta có nhận xét là, khi bị truyền như vậy dữ liệu đã giảm biên độ đi mất 2V. Với mạch số có thể vẫn hiểu là mức cao mức thấp, còn với mạch tương tự thì như vậy là mất mát năng lượng nhiều rồi, và nó còn bị ảnh hướng nặng hơn khi nhiều cổng truyền mắc nối tiếp nhau.

Cổng truyền CMOS :

Hình 1.70 cho thấy cấu trúc của 1 cổng truyền CMOS cơ bản dùng 1 NMOS và 1PMOS mắc song song, cũng với những giả sử như ở trên bạn sẽ thấy CMOS khắc phục được điểm dở của NMOS và chính nó đã được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Khi G ở thấp, không cho phép truyền.

Khi G ở cao, nếu ngõ vào ở thấp ngõ ra không có gì thay đổi.

Còn nếu ngõ vào ở cao thì cả 2 transistor đều dẫn dữ liệu truyền tù trái sang phải nạp cho tụ, ngõ ra ở mức cao nhưng có 1 điểm khác ở đây là khi tụ nạp đến 8V thì NMOS ngắt trong khi PMOS vẫn dẫn mạnh làm tụ nạp đủ 10V.

Khi ngõ ra đang ở 10V, ngõ G vẫn ở cao mà ngõ vào xuống thấp thì tụ sẽ xả ngược trở lại qua 2 transistor làm ngõ vào lên cao trở lại.

Các kí hiệu cho cổng truyền như hình

2.3 Đặc tính kỹ thuật

Công suất tiêu tán

Khi mạch CMOS ở trạng thái tĩnh (không chuyển mạch) thì công suất tiêu tán PD của mạch rất nhỏ. Có thể thấy điều này khi phân tích mạch mạch cổng nand hay nor ở trước. Với nguồn 5V, PD của mỗi cổng chỉ khoảng 2,5nW.

Tuy nhiên PD sẽ gia tăng đáng kể khi cổng CMOS phải chuyển mạch nhanh. Chẳng hạn tần số chuyển mạch là 100KHz thì PD là 10 nW, còn f=1MHz thì PD= 0,1mW. Đến tần số cỡ 2 hay 3 MHz là PD của CMOS đã tương đương với PD của 74LS bên TTL, tức là mất dần đi ưu thế của mình.

Lý do có điều này là vì khi chuyển mạch cả 2 transistor đều dẫn khiến dòng bị hút mạnh để cấp cho phụ tải là các điện dung (sinh ra các xung nhọn làm biên độ của dòng bị đẩy lên có khi cỡ 5mA và thời gian tồn tại khoảng 20 đến 30 ns). Tần số chuyển mạch càng lớn thì sinh ra nhiều xung nhọn làm I càng tăng kéo theo P tăng theo. P ở đây chính là công suất động lưu trữ ở điện dung tải. Điện dung ở đây bao gồm các điện dung đầu vào kết hợp của bất kỳ tải nào đang được kích thích và điện dung đầu ra riêng của thiết bị.

Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch)

Cũng giống như các mạch TTL, mạch CMOS cũng phải có trì hoãn truyền để thực hiện chuyển mạch. Nếu trì hoãn này làm tPH bằng nửa chu kì tín hiệu vào thì dạng song vuông sẽ trở thành xung tam giác khiến mạch có thể mất tác dụng logic

Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch của CMOS thì nhanh hơn hẳn loại TTL do điện trở đầu ra thấp ở mỗi trạng thái. Tốc độ chuyển mạch sẽ tăng lên khi tăng nguồn nhưng điều này cũng sẽ làm tăng công suất tiêu tán, ngoài ra nó cũng còn ảnh hưởng bởi tải điện dung.

Giới hạn tốc độ chuyển mạch cho phép làm nên tần số chuyển mạch tối đa được tính dựa trên t_PH.

Bảng sau cho phép so sánh f_max của một số loại cổng nand loại TTL với CMOS

Trong việc sử dụng các IC logic CMOS ta phải biết nhiều đặc tính và giới hạn của chúng. Các đặc tính thông dụng như áp nuôi, số toả ra, khả năng dòng ra,... thường dễ vận dụng. Tất cả các IC logic đều dùng được ở nguồn nuôi 5V. Số toả ra với cùng loại logic ít nhất là gần chục trong lúc thường chì cần vài. Tuy nhiên đôi khi có nghi ngờ hay sử dụng ở trường hợp áp cấp V_max, f_max, tải thuần dung thuần cảm... hay giao tiếp giữa các IC khác loại, khác áp nguồn, nói chung là các trường hợp đặc biệt. thì ta phải tham khảo tài liệu ở data sheet hay data book. Cũng như ở bên TTL, một số đặc tính chính của CMOS được nói đến ở đây là:

Áp nguồn nuôi ký hiệu là V_dd (khác với bên TTL ký hiệu là V_cc) rất khác nhau do đó cần rất cẩn thận với nó, có thể dùng nguồn 5V là tốt nhất. Bảng sau đưa ra các khoảng áp nguồn cho từng loại CMOS.

Điện áp vào và ra của các loại CMOS

Cũng giống như bên TTL về kí hiệu, tên gọi nhưng ở bên CMOS có phức tạp hơn do nguồn nuôi cho các loại IC thì khác nhau, ta chỉ có thể rút ra tương đối ở điều kiện nguồn Vdd = 5V. Hình và bảng ở dưới nêu ra các thông số áp ra và vào. Riêng loại 74HCT là CMOS tốc độ cao tương thích với TTL nên thông số cũng giống như bên TTL.

Dòng điện ngõ vào và ngõ ra

bảng so sánh dòng vào ra của một số loại CMOS với một số loại TTL

Nói chung ta quan tâm đến dòng ra nhiều hơn vì đó là dòng ra max cho phép mà vẫn đảm bảo các mức logic ra đúng như ở phần trên. Còn các áp ra cũng chỉ quan tâm khi tính đến việc giao tiếp cổng khác loại khác áp nuôi.

Hệ số tải

Dòng ra của các CMOS khá lớn trong lúc điện trở vào của các CMOS lại rất lớn (thường khoảng 1012 ohm) tức dòng vào rất rất nhỏ nên số toả ra rất lớn. Nhưng mỗi cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường cũng khoảng 5pF nên khi có nhiều cổng tải mắc song song số điện dung tăng lên làm tốc độ chuyển mạch chậm lại khiến số toả ra ở tần số thấp (dưới 1MHz) là vài chục, còn ở tần số cao số tạo ra giảm chỉ còn dưới 10.

Tính kháng nhiễu

Về đặc tính chuyển (trạng thái) nói chung các loại CMOS đều chuyển trạng thái khá dứt khoát trừ loại 4000A bởi vì chúng có tầng đệm ở trước ngõ ra

Về giới hạn nhiễu nói chung là tốt hơn các loại TTL. Tốt nhất là loại 4000A,B. Giới hạn nhiễu sẽ còn tốt hơn nếu ta tăng nguồn nuôi lớn hơn 5V, tuy nhiên lúc này tổn hao cũng vì thế tăng theo. Cách tính lề nhiễu mức cao và mức thấp vẫn như trước, tức là:

V_NH = V_OH(min) – V_IH(min)

V_NL = V_IL(max) – V_IH(max)

CÁC IC CỔNG LOGIC

Có rất nhiều IC loại CMOS có mã số và chức năng logic tương tự như các IC TTL chẳng hạn bên TTL IC 4 cổng nand 2 ngõ vào là 7400, 74LS00, 74AS00,... thì bên CMOS cũng tương tự có 74C00, 74HC/HCT00, 74AC11000,... Tuy nhiên không phải tất cả bên TTL có thì bên CMOS cũng có. CMOS cũng còn có những loại riêng, chẳng hạn với cổng nảy schmitt trigger ngoài 74HC/HCT14 gồm 6 cổng đảo, 74HC/HCT132 gồm 4 cổng nand 2 ngõ vào còn có 4014, 4534 cũng gồm 6 cổng đảo, 4093 cũng gồm 4 cổng nand 2 ngõ vào; hay 4066 là cổng truyền 2 chiều số tương tự vv...

Hình 1.74 là sơ đồ chân ra của một số cổng logic loại 4000 cũng hay dùng