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 trường ở phía điện cực kim loại của lớp oxit cách nhiệt có ảnh hưởng transistor hiệu ứng trường, gọi là MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor). Có nghĩa điện đến điện trở của đế. Phần nhiều IC logic loại CMOS được thiết kế hết bằng MOSFET, không cần đến linh kiện nào khác.
Hôm nay, cùng trung tâm VATC tìm hiểu chi tiết về IC logic loại CMOS này nhé!
1. Tổng quan
Ưu điểm chính của MOSFET là dễ chế tạo, chi phí tổn thấp, cỡ nhỏ, tiêu hao rất ít điện năng. Kĩ thuật làm IC logic loại CMOS 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 mili voltage, trong khi BJT đòi hỏi khoảng 50 mili voltage. 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 logic loại CMOS 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 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 logic loại CMOS 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 ảnh dưới đây là cấu tạo của 1 cổng NO 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.
Tham khảo ngay: Khóa học Kỹ thuật sửa chữa điện – điện tử ô tô chuyên nghiệp
2. Cấu tạo của CMOS
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 so với khi dùng rời từng loại một.
Cấu tạo cơ bản nhất của CMOS cũng là một cổng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor PMOS như hình:
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. 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.
Trên đây là những thông tin về IC logic loại CMOS. Hy vọng bài viết này giúp ích cho bạn trong việc tìm kiếm kiến thức trau dồi tay nghề sửa chữa ô tô của mình. VATC chúc bạn thành công!
Luôn theo dõi website của trung tâm VATC để không bỏ lỡ những kiến thức hay trong nghề ô tô bạn nhé!
Có thể bạn quan tâm:
- Nguyên lí hoạt động IC logic loại TTL/LS
- Cảm biến vị trí bướm ga – Chức năng, cấu tạo & nguyên lý hoạt động
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, khu phố 6, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Tp.HCM
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
