InfoNu.nl > Electronica > Geschiedenis > CMOS stroomverbruik

CMOS stroomverbruik

CMOS stroomverbruik De transistor is de belangrijkste bouwsteen in halfgeleider-circuits. Er zijn twee belangrijke types: bipolaire transistor en de veldeffecttransistor, de FET (of MOSFET). De belangrijkste familie veldeffecttransistoren is de CMOS technologie. Chips en ic's zitten tegenwoordig vooral vol met CMOS. Uit het verband tussen spanning en stroom in een CMOS transistor kan men de totale stroomconsumptie van een CMOS circuit worden afgeleid. Om de totale stroomconsumptie in te schatten van een digitale (CMOS) schakeling, maken ontwerpers gebruik van de stroomkarakteristieken op transistorniveau:

  • P tot = P dyn + I a * Vdd + I lek * Vdd [Watt]

Hierin staat Pdyn voor de stroomconsumptie van alle CMOS transistoren. CMOS trekt alleen stroom bij een klokflank (als de klok van 0 naar 1 gaat, of andersom). Pdyn wordt berekend door alle stroompieken tijdens een flank op te tellen. I a en I lek staan voor de stroom in analoge circuitgedeeltes en de lekstroom.

CMOS spanning-stroom karakteristiek

-fig 1- / Bron: Tronic-fig 1- / Bron: Tronic
CMOS transistoren worden veel gebruikt in digitale of logische circuits. Zie figuur 1, de 'C' staat voor complementary, de technology gebruikt twee typen transistoren: de PMOS en de NMOS.
Door een hoog signaalniveau op te vatten als het getal '1' en een laag niveau als een '0', kan men rekenkundige operaties uitvoeren op binaire getallen en getal-reeksen. Hoewel CMOS gebruikt wordt om te rekenen met nullen en enen, zijn de spanning en stroom in de transistor gewoon analoog. Het verband tussen stroom en spanning in een NMOS transistor is afgebeeld in figuur 2. De NMOS opereert in drie gebieden:

  • cut-off --- transistor geleidt niet
  • linear --- transistor gedraagt zich als weerstand ( Vds / I ds = constant)
  • saturation --- transistor gedraagt zich als stroombron ( I ds = constant)

  • i ds = 0 ; (Vgs < Vt) ---- cut-off
  • i ds = β (Vgs - Vt - Vds/2) Vds; ---- linear - (Vds < Vd sat)
  • i ds = β (Vgs - V t) ² ---- saturation - (Vds > Vd sat)

- fig 2- / Bron: Tronic- fig 2- / Bron: Tronic
  • i ds = drain-source stroom, Vds = drain-source spanning, Vt = drempelspanning
  • Vgs = gate-source spanning
  • β = geometrie- en technologie afhankelijke parameter

Een NMOS is cut-off als gate-source spanning lager is dan een drempelwaarde (Vt). Er loopt dan geen stroom. Wanneer de gate-source spanning hoger wordt (en de drain-source spanning lager Vd sat) komt de transistor in het lineaire gebied. De NMOS gedraagt zich hier als weerstand, de stroom I ds is evenredig met de drain-source spanning. Dit is het middelste gedeelte van de grafiek. Bij hogere drain-source spanning komt de NMOS in het saturation gebied (uiterst rechts); hier gedraagt het zich als een stroombron.

- fig2 - / Bron: Tronic- fig2 - / Bron: Tronic
Een PMOS gedraagt zich hetzelfde als een NMOS, zij het dat de Vgs negatief moet zijn voor geleiding. Een PMOS transistor geleidt gaten (+ ladingen) beter dan elektronen (- ladingen). Een NMOS transistor geleidt elektronen beter dan gaten.

In een CMOS schakeling met digitale functie zijn daarom PMOS-transistoren altijd verbonden met voedingsspanning Vdd, de NMOS -transistoren altijd met ground. Dit zorgt in een digitaal circuit voor de meest stabiele '1'-en en '0'-en. Dat wil men graag omdat instabiele '1'-en en '0'-en kunnen zorgen voor logische fouten in logische circuits.

Logische poorten

inverter

Bron: TronicBron: Tronic
Digitale schakelingen functie's zijn opgebouwd uit logische poorten. Logische poorten worden gemaakt met CMOS. De meest elementaire logische poort is een inverter (figuur links van de stippellijn). Deze poort kan gemaakt worden met een NMOS en een PMOS. Een inverter keert de waarde van een bit om: een 1 wordt een 0, en een 0 een 1. Met deze poort maakt men een logische NOT.

Twee inverters achter elkaar noemt men buffer; dit wordt gebruikt op plaatsen waar een grote stroom geleverd moet worden.

andere poorten

Andere logische poorten (NAND, NOR, XOR, ...) zijn in principe op dezelfde manier opgebouwd als een inverter. Een logische functie is altijd verdeeld over een aantal PMOS- en een aantal NMOS-transistoren. Als een logische combinatie inputs het PMOS-gedeelte in geleiding brengt, gaat het NMOS-gedeelte dicht (cut-off), en andersom.

Stroomverbruik

Bron: TronicBron: Tronic
Bekijk het plaatje van de inverter. Wanneer de ingang -stabiel- 0 of 1 is, loopt er geen stroom. Of de NMOS staat open en de PMOS dicht, of andersom. Omdat een van de twee transistoren dicht staat kan er geen stroom lopen. Wanneer de input verandert van 1 naar 0 -dit duurt enkele pico of nanoseconden-, zal de NMOS geleidelijk dicht gaan en de PMOS geleidelijk open. Dit levert een eventjes een stroomcurve op; hetzelfde gebeurt bij een overgang van 0 naar 1 -zie figuur. Algemeen kunnen we stellen dit in CMOS alleen stroom getrokken wordt, als er inputs veranderen. Om de totale stroomconsumptie van een CMOS-circuit te vinden moeten we al deze stroompiekjes optellen.

Wanneer we alle poorten, knooppunten, en bedrading opvatten als capaciteit C, dan kunnen we ook stellen dat de capaciteit C ongeveer met frequentie (klokfrequentie) f opgeladen of ontladen wordt. Voor een keer opladen geldt:

  • lading Q = C * Vdd

Het stroomverbruik wordt dan, uitgedrukt als dynamisch vermogen P dyn:

  • P dyn = 1 / T ∫ i(t) Vdd dt = C f Vdd ²

De totale capaciteit C van digitaal circuit is bekend; dit berekent men door de som te nemen van de capaciteiten van de transistoren plus die van de tussenliggende bedrading.

We weten niet hoeveel poorten precies schakelen per klokperiode; het zullen ze lang niet allemaal zijn. Daarom gebruikt men ook wel de activity factoe α, die aangeeft in hoeveel procent van de poorten schakelen als er een klokflank optreedt. Voor de meeste logische circuits houdt men 0,1 < α < 0,5 aan. De vermogensconsumptie wordt dan:

P dyn = α C f Vdd ²

Voor de totale stroomconsumptie van een chip moeten we ook de het stroomverbruik van analoge circuits meetellen plus de lekstroom (er lekt altijd een klein beetje stroom door poorten die dicht staan). De totale stroomconsumptie wordt dan:

  • P tot = P dyn + I a * Vdd + I lek * Vdd



CMOS transistor

De eerste transistoren waren van het type bipolair, en werden gebruikt om signalen te versterken. Deze transistoren hebben drie aansluitingen (met een eigen functie en naam): de basis, de emitter, en de collector.

Bij een veldeffect transistor (FET) heten de drie aansluitpunten gate, drain, en source. Wanneer een signaal wordt aangeboden aan de gate-source overgang, zal er geleiding optreden tussen de drain en source. Het kenmerkende voor een FET is dat de geleiding tot stand komt door een elektrisch veld; dit betekent dat wanneer de source en drain in geleiding zijn, er geen stroom aan de gate nodig is. Dit maakt de FET vermogens- en dus energiezuinig.

Een PMOS transistor komt in geleiding wanneer de gate-source spanning negatief is; een NMOS transistor geleidt wanneer de gate-source spanning positief is. Digitale schakelingen zijn vaak opgebouwd uit zowel NMOS als PMOS transistoren, hetgeen ook wel CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) wordt genoemd.
© 2009 - 2017 Tronic, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Chips en transistorenChips en transistorenDe uitvinding van de transistor -de basisbouwsteen voor elektronica- heeft een revolutie teweeg gebracht die nog steeds…
Wat is CMOS technologie?Wat is CMOS technologie?De consumentenelektronica, lucht- en ruimtevaart, en tal van andere gebieden hebben een hoge vlucht genomen, omdat de in…
Hoe zit een geheugenchip in elkaar?Hoe zit een geheugenchip in elkaar?De geheugenchip stuwt de prestaties (performance) van de elektronica tot steeds grotere hoogten. De data-opslag of geheu…
De werking van de flipflopDe werking van de flipflopDe flipflop is de meest elementaire bouwsteen in de digitale techniek. In het binaire talstelsel representeert men getal…
De wet van MooreDe wet van MooreGordon Moore constateerde dat elke 18 maanden op hetzelfde chip-oppervlak twee maal zoveel transistoren kunnen worden ge…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Tronic
  • CMOS VLSI design, third edition, Weste, Harris
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic
  • Afbeelding bron 5: Tronic

Reageer op het artikel "CMOS stroomverbruik"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Reacties

Jacj, 13-04-2010 22:47 #2
Ik heb zelf in warmte licht en water en gas heb gedaan in de jaren 1960 moesten we de postkantoren in district rotterdam alles zelf klaar maken maar er veranderd nog wel eens daar ik nu niet meer hoef te werken wil ik toch een beetje bij blijven endat het bij ons nog wel aan mankeertik wil meer weten over spaning op een camping daar wij op een camping staan en dat je voor 230 volt bent aan gesloten maar als je wat aan zet al 10 tot 15 volt kwijt bent en en dat je soms blij mag zijn dat je 185 volt heb een magnetron werkt in ieder geval al niet en de op warm tijd van alles wat je aan doed duurt veel langer

Jacj, 13-04-2010 22:47 #1
Ik heb zelf in warmte licht en water en gas heb gedaan in de jaren 1960 moesten we de postkantoren in district rotterdam alles zelf klaar maken maar er veranderd nog wel eens daar ik nu niet meer hoef te werken wil ik toch een beetje bij blijven endat het bij ons nog wel aan mankeertik wil meer weten over spaning op een camping daar wij op een camping staan en dat je voor 230 volt bent aan gesloten maar als je wat aan zet al 10 tot 15 volt kwijt bent en en dat je soms blij mag zijn dat je 185 volt heb een magnetron werkt in ieder geval al niet en de op warm tijd van alles wat je aan doed duurt veel langer

Infoteur: Tronic
Laatste update: 06-01-2017
Rubriek: Electronica
Subrubriek: Geschiedenis
Bronnen en referenties: 7
Reacties: 2
Schrijf mee!