CMOS集成電路特性與工作原理-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-06-07
CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。
因?yàn)榭勺x寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設(shè)置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)，這個(gè)芯片僅僅是用來存放數(shù)據(jù)的。而對BIOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。
BIOS設(shè)置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機(jī)時(shí)通過特定的按鍵就可進(jìn)入BIOS設(shè)置程序，方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。因此BIOS設(shè)置有時(shí)也被叫做CMOS設(shè)置。
（1）功耗低
CMOS集成電路采用場效應(yīng)管，且都是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩個(gè)串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個(gè)管導(dǎo)通，另一個(gè)管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。
實(shí)際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個(gè)門電路的功耗典型值僅為20mW，動(dòng)態(tài)功耗（在1MHz工作頻率時(shí)）也僅為幾mW。
（2）工作電壓范圍寬
CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。
（3）邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當(dāng)VDD=15V，VSS=0V時(shí)，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標(biāo)是較高的。
（4）抗干擾能力強(qiáng)
CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓（當(dāng)VSS=0V時(shí)），電路將有7V左右的噪聲容限。
（5）輸入阻抗高
CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護(hù)二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，故比一般場效應(yīng)管的輸入電阻稍小，
但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護(hù)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達(dá)103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅(qū)動(dòng)電路的功率。
（6）溫度穩(wěn)定性能好
由于CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且，CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，某些參數(shù)能起到自動(dòng)補(bǔ)償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。
一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55 ~ +125℃；塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ +85℃。
（7）扇出能力強(qiáng)
扇出能力是用電路輸出端所能帶動(dòng)的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當(dāng)CMOS集成電路用來驅(qū)動(dòng)同類型，如不考慮速度，一般可以驅(qū)動(dòng)50個(gè)以上的輸入端。
（8）抗輻射能力強(qiáng)
CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬于多數(shù)載流子導(dǎo)電器件。各種射線、輻射對其導(dǎo)電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
（9）可控性好
CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時(shí)間可以控制，其輸出的上升和下降時(shí)間的典型值為電路傳輸延遲時(shí)間的125%~140%。
（10）接口方便
因?yàn)镃MOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅(qū)動(dòng)，也容易驅(qū)動(dòng)其他類型的電路或器件。
以CMOS集成電路中的一個(gè)最基本電路——反相器（其他復(fù)雜的CMOS集成電路大多是由反相器單元組合而成）為例，分析CMOS集成電路的工作過程。
利用一個(gè)P溝道MOS管和一個(gè)N溝道MOS管互補(bǔ)連接就構(gòu)成了一個(gè)最基本的反相器單元電路如附圖所示。圖2中VDD為正電源端，VSS為負(fù)電源端。電路設(shè)計(jì)采用正邏輯方法，即邏輯“1”為高電平，邏輯“0”為低電平。
圖2中，當(dāng)輸入電壓VI為低電平“0”（VSS）時(shí)，N溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=0V（源極和襯底一起接VSS），由于是增強(qiáng)型管，所以管子截止，而P溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=VSS—VDD。若|VSS—VDD|>|VTP|（MOS管開啟電壓），則P溝道MOS管導(dǎo)通，所以輸出電壓V0為高電平“1”（VDD），實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出的反相功能。
當(dāng)輸入電壓VI為底電平“1”（VDD）時(shí)，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）>VGSN，則N溝道MOS管導(dǎo)通，此時(shí)VGSN=0V，P溝道MOS管截止，所以輸出電壓V0為低電平“0”（VSS），與VI互為反相關(guān)系。
由上述分析可知，當(dāng)輸入信號為“0”或“1”的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電路中的兩個(gè)MOS管總有一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，使得VDD和VSS之間無低阻抗直流通路，因此靜態(tài)功耗極小。這便是CMOS集成電路最主要的特點(diǎn)。
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