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CMOS

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Circuito semplificato dell'invertitore a tecnologia CMOS

Ininformatica edelettronica unCMOS (acronimo dell'ingleseComplementary Metal-Oxide-Semiconductor,lett. "metallo-ossido-semiconduttore complementare") è un tipo di tecnologia utilizzata inelettronica digitale per la progettazione dicircuiti integrati, alla cui base sta l'uso dell'invertitore atransistorMOSFET.

Descrizione

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Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di "Pull-Up" ed una di "Pull-Down": la prima s'incarica di replicare correttamente il livello logico altoLL1 mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico bassoLL0.[1]

Tale topologia circuitale e produttiva fu inventata daFrank Wanlass eChih-Tang Sah nel 1963 e la prima famiglia strutturata successiva alle produzioni paraprototipali fu laSerie 4000 lanciata dalla RCA nel 1968 e presto divenuta standard.

La rete di Pull-Up è costituita daMOSFET a canale P, che si "accendono" solo se la tensione presente sulgate (misurata rispetto alsource) è minore dellatensione di soglia. Inversamente la rete di Pull-Down è costituita da MOSFET a canale N che si accendono solo se la tensione presente sulgate (misurata rispetto alsource) è maggiore della tensione di soglia.

Per comprendere come sia strutturata la tecnologia CMOS può risultare utile osservare una porta logica NOT realizzata con tecnologia CMOS. Si può notare come, nell'eventualità che il segnale d'ingresso sia a LL1, sia il solo N-MOS ad attivarsi portando l'uscita a LL0. Inversamente, con l'ingresso a LL0, è il solo P-MOS ad attivarsi portando l'uscita a LL1. Particolarità di questa porta logica è di avere una dinamica logica d'uscita piena, cioè pari alla massima tensione applicata, Vcc; inoltre né la rete di pull-up né la rete di pull-down soffre di effetto body. La componentistica realizzata in questa tecnologia è caratterizzata da un consumo di corrente estremamente basso.

Caratteristiche

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Sezione trasversale di due transistor in una porta CMOS
Processo semplificato di microfabbricazione.
NB: i contatti digate,source edrain non sono realmente sullo stesso piano, e il diagramma non è in scala.

Uno dei principali vantaggi della logica CMOS è di avere una potenza statica dissipata idealmente nulla: questa caratteristica è dovuta allacomplementarità delpull-down (n-Mos) e delpull-up (p-Mos); ossia, quando è acceso il pull-up, è spento il pull-down, e viceversa.In realtà ci sono piccole correnti di perdita (per caricare/scaricare le capacità parassite, la corrente di cortocircuito durante la commutazione di stato, per perdite alle giunzioni e per le correnti di sottosoglia), trascurabili se il numero dei MOS è relativamente piccolo, ma che può diventare particolarmente sentito, in particolare le correnti di sottosoglia sono responsabili di circa la metà della dissipazione di potenza nelle attuali realizzazioniVLSI.

Elementi base

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Dimensionando opportunamente i due MOS (simmetrici dal punto di vista funzionale) è possibile avere una curva caratteristica simmetrica, soluzione ottima per avere ilmargine di immunità ai disturbi il più elevato possibile. Il tratto di caratteristica ad alto guadagno è indipendente dal rapporto tra i fattori di forma dei due MOS (ratioless).

Gli elementi base per costruire qualsiasi circuito digitale sono:

  • NAND: realizzato con pull-up costituito da due p-Mos in parallelo e pull-down da due n-Mos in serie
  • NOR: realizzato con pull-up costituito da due p-Mos in serie e pull-down da due n-Mos in parallelo

Ogni funzione logica binaria può essere espressa in termini di questi due operatori.

FSI e BSI

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Originariamente i CMOS hanno una struttura del tipo FSI (front side illumination), dove lo strato di silicio (fotosensori) è posto in fondo, mentre con la disposizione BSI (backside illumination) dato che lo strato di silicio è posto sopra gli strati metallici (servono al fotodiodo per convertire i fotoni della luce in elettroni, quindi in segnali elettrici), il che permette una maggiore sensibilità alla luce e per via della disposizione anche una maggiore fedeltà al colore (minori contaminazioni dei pixel adiacenti) e possibilità di adoperare ottiche più compatte.[2]

Potenza dinamica dissipata

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Si possono identificare due tipi di dissipazioni di potenza dinamica:

  • Potenza di cortocircuito
  • Potenza associata alla carica/scarica del condensatore
⟨P⟩=1T∫P(t)d⁡t{\displaystyle \langle P\rangle ={\frac {1}{T}}\int P(t)\operatorname {d} t}

Potenza di cortocircuito

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Grafico dellaVi{\displaystyle V_{i}} eId{\displaystyle I_{d}} rispetto al tempo della logica CMOS

Trascurando la capacità parassitaCl{\displaystyle C_{l}} e consideriamo un segnale di ingresso che comprenda un fronte di salita e uno di discesa, tenendo presente il ritardo di propagazione (tr{\displaystyle t_{r}} etf{\displaystyle t_{f}} sono non nulli).Dall'istanteta{\displaystyle t_{a}} atc{\displaystyle t_{c}} e datd{\displaystyle t_{d}} atf{\displaystyle t_{f}} la corrente non è nulla in quanto sia il PU che il PD sono accesi.Quindi la potenza avrà un valore non nullo in quei punti; ricordiamo che la potenza dinamica è:

Pd=VddId {\displaystyle P_{d}=V_{dd}\,I_{d}\ }

Quindi calcoliamo lapotenza attiva:

⟨Pd⟩=1T[∫tatbPdd⁡t+∫tbtcPdd⁡t+∫tdtePdd⁡t+∫tetfPdd⁡t]={\displaystyle \langle P_{d}\rangle ={\frac {1}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}P_{d}\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}P_{d}\operatorname {d} t\right]=}
=VddT[∫tatbIdn,sat(t)d⁡t+∫tbtcIdp,sat(t)d⁡t+∫tdteIdp,sat(t)d⁡t+∫tetfIdn,sat(t)d⁡t]{\displaystyle ={\frac {V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{b}}^{t_{c}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{d}}^{t_{e}}I_{dp,sat}(t)\operatorname {d} t+\int _{t_{e}}^{t_{f}}I_{dn,sat}(t)\operatorname {d} t\right]}

Facendo l'ipotesi di MOS complementari

βn=βp {\displaystyle \beta _{n}=\beta _{p}\ }
Vtn=|Vtp|=Vt {\displaystyle V_{tn}=|V_{tp}|=V_{t}\ }

Allora

Idn,sat=Idp,sat {\displaystyle I_{dn,sat}=I_{dp,sat}\ }

Si ottiene

⟨Pd⟩=4VddT[∫tatbβn2(Vgsn(t)−Vtn)2d⁡t]{\displaystyle \langle P_{d}\rangle ={\frac {4V_{dd}}{T}}\left[\int _{t_{a}}^{t_{b}}{\frac {\beta _{n}}{2}}(V_{gsn}(t)-V_{tn})^{2}\operatorname {d} t\right]}

Possiamo conoscere gli estremi di integrazione tramite l'equazione

t:tr=Vi(t):Vdd {\displaystyle t:t_{r}=V_{i}(t):V_{dd}\ }
t=tr∗Vi(t)Vdd {\displaystyle t=t_{r}*{\frac {V_{i}(t)}{V_{dd}}}\ }
Vi(t)=Vgsn(t) {\displaystyle V_{i}(t)=V_{gsn}(t)\ }

Sostituendo e risolvendo si ha:

⟨Pd⟩=β∗tr∗Vdd312T[1−2VtnVdd]{\displaystyle \langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}\left[1-{\frac {2V_{tn}}{V_{dd}}}\right]}

Facendo l'ipotesiVdd>>Vtn{\displaystyle V_{dd}>>V_{tn}}

⟨Pd⟩=β∗tr∗Vdd312T{\displaystyle \langle P_{d}\rangle =\beta *t_{r}*{\frac {V_{dd}^{3}}{12T}}}
Grafico dellaVo{\displaystyle V_{o}} eId{\displaystyle I_{d}} rispetto aVi{\displaystyle V_{i}} della logica CMOS

Nota: Dipende:

  • linearmente dalla durata del fronte di salita (o di discesa)
  • dal cubo della tensione di alimentazione
  • inversamente dal Periodo (cioè, aumentando la frequenza di lavoro, aumenta la potenza dissipata)

Potenza associata alla carica/scarica del condensatore

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Questa volta poniamotr{\displaystyle t_{r}} etf{\displaystyle t_{f}} nulli in modo che laPcc=0{\displaystyle P_{cc}=0} e consideriamo il condensatore parassita.Adesso la potenza dissipata sarà quella utilizzata dai MOS per caricare e scaricare il condensatore.

Possiamo identificare 3 parametri:

Pc{\displaystyle P_{c}} = potenza dissipata dal condensatore (in un periodo si sarà caricato e scaricato, quindi avrà assorbito e ceduto la stessa potenza; questo porta ad avere una potenza media dissipata nulla
Pn=Idn(t)∗Vdsn(t){\displaystyle P_{n}=I_{dn}(t)*V_{dsn}(t)} - Potenza dissipata dal N-MOS per scaricare il condensatore
Pp=Idp(t)∗Vsdn(t){\displaystyle P_{p}=I_{dp}(t)*V_{sdn}(t)} - Potenza dissipata dal P-MOS per caricare il condensatore

Quindi la potenza media dinamica è

⟨Pd⟩=Pn+Pp+Pc=Pn+Pp {\displaystyle \langle P_{d}\rangle =P_{n}+P_{p}+P_{c}=P_{n}+P_{p}\ }

Note

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  1. ^(EN)What is CMOS Technology?, suCircuitBread, 18 novembre 2020.URL consultato il 4 gennaio 2024.
  2. ^Arriva un nuovo tipo di sensore CMOS, sutechup.it.URL consultato il 12 febbraio 2016(archiviato dall'url originale il 16 febbraio 2016).

Bibliografia

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Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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V · D · M
Componenti elettronici ed elettrici
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