Baøi giaûng Vi maïch
CH NG 4ƯƠ
H VI M CH CMOSỌ Ạ
5.1 KHÁI NI MỆ
Công ngh MOS (Metal Oxide Semiconductor-kim lo i oxit bán d n) có tênệ ạ ẫ
g i xu t x t c u trúc MOS c b n c a m t đi n c c n m trên l p oxit cáchọ ấ ứ ừ ấ ơ ả ủ ộ ệ ự ằ ớ
nhi t, d i l p oxit là đ bán d n. Transistor trong công ngh MOS là transistorệ ướ ớ ế ẫ ệ
hi u ng tr ng, g i là MOSFET (metal oxide silicon field effect transistor). Cóệ ứ ườ ọ
nghĩa đi n tr ng phía đi n c c kim lo i c a l p oxit cách nhi t có nh h ngệ ườ ở ệ ự ạ ủ ớ ệ ả ưở
đ n đi n tr c a đ . Ph n nhi u IC s MOS đ c thi t k h t b ng MOSFET,ế ệ ở ủ ế ầ ề ố ượ ế ế ế ằ
không c n đ n linh ki n nào khác.ầ ế ệ
u đi m chính c a MOSFET là d ch t o, phí t n th p, c nh , tiêu haoƯ ể ủ ễ ế ạ ổ ấ ỡ ỏ
r t ít đi n năng. Kĩ thu t làm IC MOS ch r c r i b ng 1/3 kĩ thu t làm IC l ngấ ệ ậ ỉ ắ ố ằ ậ ưỡ
c c (TTL, ECL,...). Thêm vào đó, thi t b MOS chi m ít ch trên chip h n so v iự ế ị ế ỗ ơ ớ
BJT, thông th ng, m i MOSFET ch c n 1 mi li vuông di n tích chip, trong khiườ ỗ ỉ ầ ệ
BJT đòi h i kho ng 50 mi li vuông. Quan tr ng h n, IC s MOS th ng khôngỏ ả ọ ơ ố ườ
dùng các thành ph n đi n tr trong IC, v n chi m quá nhi u di n tích chip trongầ ệ ở ố ế ề ệ
IC l ng c c. Nh ng lý l trên kh ng đ nh r ng các IC MOS có th dung n pưỡ ự ữ ẽ ẳ ị ằ ể ạ
nhi u ph n t m ch trên 1 chip đ n h n so v i IC l ng c c. B ng ch ng là ta sề ầ ử ạ ơ ơ ớ ưỡ ự ằ ứ ẽ
th y MOS dùng nhi u trong vi m ch tích h p c LSI, VLSI h n h n TTL. M t đấ ề ạ ợ ỡ ơ ẳ ậ ộ
đóng gói cao c a IC MOS làm chúng đ c bi t thích h p cho các IC ph c t p, nhủ ặ ế ợ ứ ạ ư
chip vi x lí và chip nh . S a đ i trong công ngh IC MOS đã cho ra nh ng thi t bử ớ ử ổ ệ ữ ế ị
nhanh h n 74, 74LS c a TTL, v i đ c đi m đi u khi n dòng g n nh nhau. Doơ ủ ớ ặ ể ề ể ầ ư
v y, thi t b MOS đ c bi t là CMOS đã đã đ c s d ng khá r ng rãi trong m chậ ế ị ặ ệ ượ ử ụ ộ ạ
MSI m c dù t c đ có thua các IC TTL cao c p và d b h h i do b tĩnh đi n.ặ ố ộ ấ ễ ị ư ạ ị ệ
M ch s dùng MOSFET đ c chia thành 3 nhóm là:ạ ố ượ
- PMOS dùng MOSFET kênh P
- NMOS dùng MOSFET kênh N tăng c ngườ
- CMOS (MOS bù) dùng c 2 thi t b kênh P và kênh Nả ế ị
Các IC s PMOS và NMOS có m t đ đóng gói l n h n (nhi u transistorố ậ ộ ớ ơ ề
trong 1 chip h n) và do đó kinh t h n CMOS. NMOS có m t đ đóng gói g n g pơ ế ơ ậ ộ ầ ấ
đôi PMOS. Ngoài ra, NMOS cũng nhanh g n g p 2 l n PMOS, nh d ki n cácầ ấ ầ ờ ữ ệ
đi n t t do là nh ng h t t i dòng trong NMOS, còn các l tr ng (đi n tíchệ ử ự ữ ạ ả ỗ ố ệ
d ng chuy n đ ng ch m h n) là h t t i dòng cho PMOS. CMOS r c r i nh t vàươ ể ộ ậ ơ ạ ả ắ ố ấ
có m t đ đóng gói th p nh t trong các h MOS, nh ng nó có đi m m nh là t cậ ộ ấ ấ ọ ư ể ạ ố
đ cao h n và công su t tiêu hao th p h n. IC NMOS và CMOS đ c dùng r ngộ ơ ấ ấ ơ ượ ộ
rãi trong lĩnh v c kĩ thu t s , nh ng IC PMOS không còn góp m t trong các thi tự ậ ố ư ặ ế
Chöông 4: Hoï vi maïch CMOS
58
Baøi giaûng Vi maïch
k m i n a. Tuy nhiên MOSFET kênh P v n r t quan tr ng b i vì chúng đ cế ớ ữ ẫ ấ ọ ở ượ
dùng trong m ch CMOS.ạ
Tr c khi đi vào công ngh CMOS ta hãy tìm hi u qua v NMOS. Cũngướ ệ ể ề
c n ph i bi t r ng PMOS t ng ng cũng gi ng h t NMOS, ch khác chi uầ ả ế ằ ươ ứ ố ệ ỉ ở ề
đi n áp.ệ
Hình 4.1 là c u t o c a 1 c ng NOT lo i NMOS c b nấ ạ ủ ổ ạ ơ ả
M ch g m 2 MOSFET: Q2 làm chuy n m ch còn Q1 làm t i c đ nh và luônạ ồ ể ạ ả ố ị
d n, đi n tr c a Q1 kho ng 100 kẫ ệ ở ủ ả
Ngõ vào m ch đ t c c G c a Q2, còn ngõ ra l y đi m chung c a c c Sạ ặ ở ự ủ ấ ở ể ủ ự
Q1 và c c D Q2. Ngu n phân c c cho m ch gi s dùng 5V.ự ồ ự ạ ả ử
Khi Vin = 5 V, ngõ vào m c cao kích cho Q2 d n, tr trên Q2 còn kho ng 1Kứ ẫ ở ả
c u phân áp gi a RQ1 và RQ2 cho phép áp ra còn kho ng 0,05V t c là ngõ ra ầ ữ ả ứ ở
m c th pứ ấ
Khi Vin = 0V, ngõ vào m c th p, Q2 ng t, tr trên nó khá l n kho ngở ứ ấ ắ ở ớ ả
1010Ω C u phân áp RQ1 và RQ2 s đ t áp ngõ ra x p x ngu n, t c là ngõ ra ầ ẽ ặ ấ ỉ ồ ứ ở
m c cao.ứ
V y m ch ho t đ ng nh m t c ng NOT. C ng NOT đ c xem là m ch cậ ạ ạ ộ ư ộ ổ ổ ượ ạ ơ
b n nh t c a công ngh MOS. N u ta thêm Q3 m c n i ti p và gi ng v i Q2 thìả ấ ủ ệ ế ắ ố ế ố ớ
s đ c c ng NAND. N u ta m c Q3 song song và gi ng v i Q2 thì s đ c c ngẽ ượ ổ ế ắ ố ớ ẽ ượ ổ
NOR. C ng AND và c ng OR đ c t o ra b ng cách thêm c ng NOT ngõ ra c aổ ổ ượ ạ ằ ổ ở ủ
c ng NAND và c ng NOR v a đ c t o ra.ổ ổ ừ ượ ạ
NMOS không ph i đ t o ra các c ng mà th ng dùng đ xây d ng m ch tả ể ạ ổ ườ ể ự ạ ổ
h p, m ch tu n t quy mô th ng c MSI tr lên, nh ng t t c nh ng m ch đóợ ạ ầ ự ườ ỡ ở ư ấ ả ữ ạ
v c b n v n ch là t h p c a các m ch c ng logic đ c k ra đây.ề ơ ả ẫ ỉ ổ ợ ủ ạ ổ ượ ể ở
M t s đ c đi m c a NMOS :ộ ố ặ ể ủ
T c đ chuy n m ch:ố ộ ể ạ ch m h n so v i lo i TTL do đi n tr đ u vào khá caoậ ơ ớ ạ ệ ở ầ
đ ng th i b nh h ng b i t i dung tính mà nó thúcồ ờ ị ả ưở ở ả
Gi i h n nhi u kho ng 1,5V v i ngu n 5V và s tăng t l khi ngu n c pớ ạ ễ ả ớ ồ ẽ ỉ ệ ồ ấ
tăng. Nh v y là tính kháng nhi u kém h n TTLư ậ ễ ơ
Chöông 4: Hoï vi maïch CMOS
59
4.1
Baøi giaûng Vi maïch
H s t i: ệ ố ả v lí thuy t là r t l n do tr đ u vào c a m ch r t l n, tuy nhiên,ề ế ấ ớ ở ầ ủ ạ ấ ớ
n u t n s ho t đ ng càng cao (trên 100KHz) thì đi n dung sinh ra có th làm suyế ầ ố ạ ộ ệ ể
gi m th i gian chuy n m ch kéo theo gi m kh năng giao ti p t i. So v i TTL thìả ờ ể ạ ả ả ế ả ớ
NMOS v n có h s t i cao h n h n trung bình là 50 c ng cùng lo i.ẫ ệ ố ả ơ ẳ ổ ạ
Công su t tiêu tán:ấ Đây là u đi m n i b t c a logic MOS. Th t v y, ch ngư ể ổ ậ ủ ậ ậ ẳ
h n v i c ng NOT trên khi đ u vào th p Rạ ớ ổ ở ầ ấ Q1 = 100k, RQ2 = 1010ohm nên dòng
tiêu th I = V/R = 0,5nA => P =U.I = 2,5nWụ
Khi đ u vào cao RQ1 = 100k, RQ2ầ 1k nên dòng tiêu th I = V/R = 50uA ụ
0,25mW
V y công su t trung bình ch cao h n 0,1 mW m t chút, so v i TTL thì nó quáậ ấ ỉ ơ ộ ớ
nh .ỏ
Chính nh u đi m này mà CMOS có th tích h p c LSI và VLSI, n i màờ ư ể ể ợ ỡ ơ
nhi u c ng, nhi u flip flop, nhi u m ch khác đ c tích h p trong m t chíp màề ổ ề ề ạ ượ ợ ộ
không gây nhi t làm h ng chip.ệ ỏ
Cũng c n l u ý là logic MOS do đ u đ c xây d ng t các transistorầ ư ề ượ ự ừ
MOSFET nên r t nh y tĩnh đi n, ph n sau ta s đ c p chi ti t đ n v n đ này.ấ ạ ệ ở ầ ẽ ề ậ ế ế ấ ề
5.2 C U T OẤ Ạ
CMOS (Complementary MOS) có c u t o k t h p c PMOS và NMOS trongấ ạ ế ợ ả
cùng 1 m ch nh đó t n d ng đ c các th m nh c a c 2 lo i, nói chung làạ ờ ậ ụ ượ ế ạ ủ ả ạ
nhanh h n đ ng th i m t mát năng l ng còn th p h n khi dùng r i t ng lo iơ ồ ờ ấ ượ ấ ơ ờ ừ ạ
m t. C u t o c b n nh t c a CMOS cũng là m t c ng NOT g m m t transistorộ ấ ạ ơ ả ấ ủ ộ ồ ồ ộ
NMOS và m t transistor PMOS nh hình 4.2.ộ ư
Ho t đ ng c a m ch cũng t ng t nh NMOSạ ộ ủ ạ ươ ự ư ở
Khi ngõ vào (n i chung c c c ng 2 transistor) cao thì ch có Q1 d n m nhố ự ổ ở ỉ ẫ ạ
do đó áp ra l y t đi m chung c a 2 c c máng c a 2 transistor s x p x 0V nênấ ừ ể ủ ự ủ ẽ ấ ỉ
ngõ ra th p.ở ấ
Khi ngõ vào th p Q1 s ng t còn Q2 d n m nh, áp ra x p x ngu n, t cở ấ ẽ ắ ẫ ạ ấ ỉ ồ ứ
ngõ ra m c cao.ở ứ
Chöông 4: Hoï vi maïch CMOS
60
4.2
Baøi giaûng Vi maïch
Đ ý là khác v i c ng NOT c a NMOS, đây 2 transistor không d n cùngể ớ ổ ủ ở ẫ
m t lúc nên không có dòng đi n t ngu n đ qua 2 transistor xu ng mass nh đóộ ệ ừ ồ ổ ố ờ
công su t tiêu tán g n nh b ng 0. Tuy nhiên khi 2 transistor đang chuy n m ch vàấ ầ ư ằ ể ạ
khi có t i thì s có dòng đi n ch y qua m t hay c 2 transistor nên khi này côngả ẽ ệ ả ộ ả
su t tiêu tán l i tăng lên.ấ ạ
Trên nguyên t c c ng đ o, cũng gi ng nh tr c b ng cách m c song songắ ổ ả ố ư ướ ằ ắ
hay n i ti p thêm transistor ta có th th c hi n đ c các c ng logic khác (hìnhố ế ể ự ệ ượ ổ
4.3). Ch ng h n m c ch ng 2 NMOS và m c song song 2 PMOS ta đ c c ngẳ ạ ắ ồ ắ ượ ổ
NAND. Còn khi m c ch ng 2 PMOS và m c song song 2 NMOS ta đ c c ngắ ồ ắ ượ ổ
NOR.
5.3 PHÂN LO IẠ
Có nhi u lo i IC logic CMOS v i các đóng v (package) và chân ra gi ng nhề ạ ớ ỏ ố ư
các lo i TTL. các IC có quy mô tích h p nh SSI v DIP (dual inline package):ạ Ở ợ ỏ ỏ
v i hai hàng chân th ng hàng 14 hay 16 chân là hay đ c dùng h n c .ớ ẳ ượ ơ ả
CMOS cũ h 4000, 4500ọ
Hãng RCA c a M đã cho ra đ i lo i CMOS đ u tiên l y tên CD4000A. Vủ ỹ ờ ạ ầ ấ ề
sau RCA có c i ti n đ cho ra lo t CD4000B có thêm t ng đ m ra, v sau n aả ế ể ạ ầ ệ ề ữ
hãng l i b sung thêm lo t CD4500, CD4700.ạ ổ ạ
Hãng Motorola (M ) sau đó cũng cho ra lo t CMOS MC14000, MC14000B,ỹ ạ
MC14500 t ng thích v i s n ph m cũ c a RCA.ươ ớ ả ẩ ủ
Đ c đi m chung c a lo t này là:ặ ể ủ ạ
•Đi n áp ngu n cung c p t 3V đ n 18V mà th ng nh t là t 5 đ n 15ệ ồ ấ ừ ế ườ ấ ừ ế
V.
•Chúng có công su t tiêu hao nhấ ỏ
•Riêng lo i 4000B do có thêm t ng đ m ra nên dòng ra l n h n, khángạ ầ ệ ớ ơ
nhi u t t h n mà t c đ cũng nhanh h n lo i 4000A tr c đó.ễ ố ơ ố ộ ơ ạ ướ
Chöông 4: Hoï vi maïch CMOS
61
4.3
Baøi giaûng Vi maïch
•Tuy nhiên các lo i trên v t c đ thì t ra khá ch m ch p và dòng cũngạ ề ố ộ ỏ ậ ạ
nh h n nhi u so v i các lo i TTL và CMOS khác. Chính vì v y chúngỏ ơ ề ớ ạ ậ
không đ c s d ng r ng rãi các thi t k hi n đ i.ượ ử ụ ộ ở ế ế ệ ạ
Lo i 74CXXạ
Đây là lo i CMOS đ c s n xu t ra đ t ng thích v i các lo i TTL vạ ượ ả ấ ể ươ ớ ạ ề
nhi u m t nh ch c năng, chân ra nh ng kho n ngu n nuôi thì r ng h n. Các đ cề ặ ư ứ ư ả ồ ộ ơ ặ
tính c a lo i này t t h n lo i CMOS tr c đó m t chút tuy nhiên nó l i ít đ c sủ ạ ố ơ ạ ướ ộ ạ ượ ử
d ng do đã có nhi u lo i CMOS sau đó thay th lo i CMOS t c đ cao 74HCXXụ ề ạ ế ạ ố ộ
và 74HCTXX. Đây là 2 lo i CMOS đ c phát tri n t 74CXX.ạ ượ ể ừ
74HCXX có dòng ra l n t c đ nhanh h n h n 74CXX, t c đ c a nó t ngớ ố ộ ơ ẳ ố ộ ủ ươ
đ ng v i lo i 74LSXX, nh ng công su t tiêu tán thì th p h n. Ngu n cho nó làươ ớ ạ ư ấ ấ ơ ồ
t 2 đ n 6 V.ừ ế
Còn 74HCTXX chính là 74HCXX nh ng t ng thích v i TTL nhi u h n như ươ ớ ề ơ ư
ngu n vào g n gi ng TTL : 4,5V đ n 5,5V. Do đó 74HCTXX có th thay th tr cồ ầ ố ế ể ế ự
ti p cho 74LSXX và giao ti p v i các lo t TTL r t bình th ng.ế ế ớ ạ ấ ườ
Ngày nay 74HC và 74HCT tr thành lo i CMOS hay dùng nh t mà l i có thở ạ ấ ạ ể
thay th tr c ti p cho lo i TTL thông d ng.ế ự ế ạ ụ
Lo i CMOS tiên ti n 74AC, 74ACTạ ế
Lo i này đ c ch t o ra có nhi u c i ti n cũng gi ng nh bên TTL, nó sạ ượ ế ạ ề ả ế ố ư ẽ
h n h n các lo i tr c đó nh ng vi c s d ng còn h n ch cũng v n lí do giáơ ẳ ạ ướ ư ệ ử ụ ạ ế ẫ ở
thành còn cao.
Ch ng h n c u trúc m ch và chân ra đ c s p x p h p lí giúp gi m nh ngẳ ạ ấ ạ ượ ắ ế ợ ả ữ
nh h ng gi a các đ ng tín hi u vào ra do đó chân ra c a 2 lo i này thì khácả ưở ữ ườ ệ ủ ạ
chân ra c a TTL.ủ
Kháng nhi u, trì hoãn truy n, t c đ đ ng h t i đa đ u h n h n lo i 74HC,ễ ề ố ộ ồ ồ ố ề ơ ẳ ạ
74HCT.
Kí hi u c a chúng h i khác m t chút nh 74AC11004 là t ng ng v iệ ủ ơ ộ ư ươ ứ ớ
74HC04. 74ACT11293 là t ng ng v i 74HCT293.ươ ứ ớ
Lo i CMOS t c đ cao FACTạ ố ộ
Đây là s n ph m c a hãng Fairchild, lo i này có tính năng tr i h n các s nả ẩ ủ ạ ộ ơ ả
ph m t ng ng đã có.ẩ ươ ứ
Lo i CMOS t c đ cao tiên ti n 74AHC, 74AHCTạ ố ộ ế
Đây là s n ph m m i đã có nh ng c i ti n t lo i 74HC và 74HCT, chúngả ẩ ớ ữ ả ế ừ ạ
t n d ng đ c c 2 u đi m l n nh t c a TTL là t c đ cao và c a CMOS là tiêuậ ụ ượ ả ư ể ớ ấ ủ ố ộ ủ
tán th p do đó có th thay th tr c ti p cho 74HC và 74HCT.ấ ể ế ự ế
B ng sau cho phép so sánh công su t tiêu tán và trì hoãn truy n c a các lo iả ấ ề ủ ạ
TTL và CMOS ngu n c p đi n 5V.ở ồ ấ ệ
Chöông 4: Hoï vi maïch CMOS
62