Bộ biến tần CMOS đóng vai trò quan trọng trong điện tử, được sử dụng trong chip nhớ và vi xử lý cùng nhiều thiết bị khác. Nó tạo ra các đầu ra bổ sung bất cứ khi nào có tín hiệu đầu vào đi qua. Các bộ biến tần này cho phép các nhà thiết kế mạch linh hoạt hơn vì chúng có thể được phân loại thành nhiều loại tùy thuộc vào khả năng và cách sắp xếp của họ.

Về chức năng, transistor NMOS và PMOS phải tương tác lẫn nhau, nhờ đó chúng có thể phản ứng với điện áp đầu vào bằng cách dao động giữa chế độ dẫn điện và không dẫn điện. Các tấm nền silicon là nơi kết nối các lớp kim loại, transistor và điện trở trong các linh kiện biến tần CMOS.

CMOS Inverter là gì?

CMOS , viết tắt của Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, là loại công nghệ điện tử chip silicon đã được sử dụng trong nhiều thiết bị để xử lý tín hiệu truyền qua mạch của chúng.

Đối với nhiều thiết bị điện tử, CMOS đóng vai trò như bộ não. Đây là một bộ phận nhỏ nhưng rất quan trọng, điều chỉnh luồng tín hiệu qua các mạch điện. CMOS giúp điều khiển hoạt động của các thiết bị điện tử dựa trên các tín hiệu chúng nhận được, giống như bộ não của chúng ta chỉ thị cho cơ thể phải làm gì.

Các loại biến tần CMOS

• Bộ biến tần CMOS thông thường : Một bóng bán dẫn NMOS và PMOS được kết nối nối tiếp tạo thành bộ biến tần CMOS thông thường .
• Bộ biến tần CMOS tĩnh : Trong loại biến tần này, mạch luôn chứa cả transistor PMOS và NMOS . Ưu điểm của loại biến tần này là mức tiêu thụ điện năng thấp và khả năng chống nhiễu cao.
• Bộ biến tần CMOS động : Các bộ biến tần này cho phép tốc độ cao hơn nhưng có thể sử dụng nhiều điện năng hơn bộ biến tần CMOS tĩnh vì chúng sử dụng tín hiệu  xung nhịp để điều khiển hoạt động của bóng bán dẫn.
• Bộ biến tần giả NMOS : Cấu hình này đơn giản hơn nhưng cần nhiều điện năng hơn do chỉ sử dụng một bóng bán dẫn NMOS để kéo xuống và một điện trở  để kéo lên.

Sơ đồ mạch của bộ biến tần CMOS

Dưới đây là sơ đồ của bộ biến tần CMOS

• Sơ đồ được hiển thị với hai bóng bán dẫn được nối tiếp giữa mặt đất và nguồn điện bên trong.
• Không giống như bóng bán dẫn PMOS trong đó cực nguồn được kết nối với nguồn điện và cực thoát được kết nối với đầu ra, cực nguồn của bóng bán dẫn NMOS được kết nối trực tiếp với đất trong khi cực thoát của nó được kết nối với đầu ra.
• Đầu vào của bộ biến tần thực chất là kết nối chung giữa các cổng của hai bóng bán dẫn.
• Khi mức đầu vào đạt đến mức logic 0, transistor NMOS sẽ bật, khiến transistor PMOS bị ngắt, dẫn đến đầu ra cao. Ngược lại, trong trường hợp transistor NMOS tắt, đầu ra của bộ biến tần sẽ thấp do điện áp đầu vào cao .

Hoạt động của bộ biến tần CMOS

• Để tạo ra bộ biến tần CMOS, người ta phải kết hợp hai loại bóng bán dẫn: PMOS và NMOS.
• Quá trình này yêu cầu bạn phải kết nối chúng theo cách này, do đó, phải có một bóng bán dẫn NMOS và một bóng bán dẫn PMOS bao gồm một bộ biến tần CMOS được chế tạo trên cùng một chip silicon.
• Đầu vào được tạo thành từ các bóng bán dẫn NMOS và PMOS có điện áp đầu vào được áp vào cổng của chúng cùng với đầu ra được kết nối với cực thoát của hai bóng bán dẫn này.
• Nguồn của transistor PMOS và NMOS được kết nối với điện áp nguồn riêng biệt, không giống như các đầu cuối khác. Cụ thể, transistor NMOS được kết nối với đất (0 V) trong khi transistor PMOS được kết nối với điện áp nguồn dương (Vdd).

Hoạt động của bộ biến tần CMOS

• Ngõ vào Cao (Logic 1): Transistor NMOS được bật khi ngõ vào điện áp cao (logic 1) được bật, trong khi transistor PMOS bị tắt. Khi hai điều này xảy ra, điện áp đầu ra (logic 0) được hạ xuống thông qua đường dẫn điện trở giảm giữa cực đầu ra và đất.
• Ngõ vào thấp (Logic 0): Ngược lại, khi điện áp thấp (logic 0) được cung cấp cho cực đầu vào, transistor NMOS sẽ tắt và transistor PMOS sẽ dẫn. Điện áp đầu ra (logic 1) tăng lên do đường dẫn điện trở thấp tồn tại giữa cực đầu ra và điện áp nguồn dương (VDD).
• Bộ biến tần CMOS hoạt động dễ dàng hơn nhờ đặc tính bổ sung của transistor NMOS và PMOS. Vì một transistor dẫn điện trong khi transistor kia tắt tùy thuộc vào điện áp đầu vào, nên đầu ra của transistor bị đảo ngược so với tín hiệu đầu vào.
• Bộ biến tần CMOS có mức tiêu tán công suất tĩnh rất thấp (không có dòng điện DC chạy giữa VDD và đất trong khi đầu vào ở mức logic không đổi) nhờ vào sự ghép nối bổ sung này.

Đặc điểm của bộ biến tần CMOS

Dưới đây là các đặc điểm của bộ biến tần CMOS:

Đặc tính tĩnh của biến tần (VTC)

• Khi mạch ở trạng thái tĩnh, VTC cho thấy điện áp đầu ra thay đổi như thế nào theo điện áp đầu vào. Điện áp ngưỡng là điểm mà trạng thái đầu ra đột ngột thay đổi từ cao xuống thấp. Sản lượng giảm xuống dưới mức này và duy trì ở mức cao trên đó. Để đảm bảo hoạt động cân bằng, bộ biến tần CMOS lý tưởng nhất nên cung cấp một VTC đối xứng quanh điện áp điểm giữa.
• VTC giống như một hàm bước đảo ngược do độ chính xác tăng lên khi chuyển đổi BẬT/TẮT. Chất lượng trong vùng chuyển đổi được thể hiện qua sự tồn tại của các độ dốc được xác định rõ ràng, cho phép chuyển đổi chính xác. Bằng cách so sánh giá trị đầu vào thấp nhất trong mỗi vùng hoạt động BẬT hoặc TẮT với giá trị đầu ra cao nhất, người ta có thể tính toán dung sai nhiễu.

Đặc tính động của biến tần

• Những điều này cho thấy cách bộ biến tần phản ứng với những thay đổi của tín hiệu đầu vào theo thời gian, điều này rất quan trọng đối với tốc độ và hiệu suất của mạch. Bộ biến tần CMOS có thể sạc và xả hiệu quả nút đầu ra nhờ tốc độ chuyển mạch nhanh của các bóng bán dẫn NMOS và PMOS bổ sung.
• Thời gian tăng hoặc tR : thời gian để tín hiệu tăng từ 10% đến 90% giá trị cuối cùng của nó.
• Thời gian đỉnh hoặc tP : Thời gian để phản ứng đạt giá trị cực đại.
• Thời gian giảm hoặc tF : thời gian mất để tín hiệu giảm 90%-10% tùy thuộc vào giá trị của nó.

Các thành phần của bộ biến tần CMOS

1. Transistor NMOS: Transistor NMOS bao gồm các cực cổng, cực nguồn và cực máng, tạo nên một transistor kim loại-ôxít-bán dẫn kênh N. Khi cực cổng được kết nối dương với cực nguồn, transistor NMOS sẽ dẫn điện.
2. Transistor PMOS: Transistor kim loại-ôxít-bán dẫn kênh P có các cực cổng, cực nguồn và cực máng tương tự như transistor NMOS. Thường được gọi là, một số transistor PMOS dẫn điện khi có điện áp âm.
3. Chất nền: Silicon được sử dụng để chế tạo cả bóng bán dẫn PMOS và NMOS. Nó đảm bảo chúng vừa ổn định về mặt cơ học vừa cách điện.
4. Kết nối: Để tạo cấu hình mạch cần thiết, các đầu nối transistor khác nhau được kết nối thông qua các lớp kim loại liên kết. Bên trong bộ biến tần CMOS, các lớp kim loại này đảm bảo định tuyến tín hiệu và kết nối điện phù hợp.
5. Kết nối cổng: Cổng của bóng bán dẫn PMOS và NMOS được kết nối với đầu vào của bộ biến tần CMOS.
6. Kết nối nguồn điện: Transistor PMOS và NMOS thường được gắn vào các điểm khác nhau trên thiết bị cấp nguồn. Trong khi transistor PMOS thường được gắn vào điện áp nguồn dương, gọi là VDD, thì transistor NMOS thường sử dụng đất (0 volt).

Thuật ngữ quan trọng

1. Điện áp ngưỡng (Vth):  Điện áp ngưỡng, Vth, là điện áp cần thiết để bật một bóng bán dẫn khi nó vẫn còn nhỏ nhất so với các điện áp đầu vào khác.
2. Độ trễ lan truyền:  Là sự kết hợp giữa độ trễ chuyển mạch của bóng bán dẫn và thời gian lan truyền tín hiệu trước khi đầu ra phản hồi hoặc thay đổi khi có sự thay đổi đầu vào.
3. Biên độ nhiễu: Biên độ nhiễu là chênh lệch giữa điện áp đầu vào tối đa cho mức CAO hợp lệ và điện áp đầu vào thấp nhất cho mức THẤP hợp lệ. Nó xác định khả năng chịu đựng nhiễu của IC.
4. Tiêu thụ điện năng:  Mức tiêu thụ điện năng thấp ở bộ biến tần CMOS vì đặc điểm thiết kế của chúng khiến chúng tiêu thụ ít điện năng hơn bất kỳ loại biến tần nào khác.

Sự khác biệt giữa CMOS và TTL

Ưu điểm của CMOS Inverter

• Bộ biến tần CMOS có mức tiêu thụ điện năng tĩnh cực thấp.
• Mạch điện ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên ngoài hơn. Điều này đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trong môi trường ồn ào.
• Vì có thể hoạt động ở nhiều mức điện áp cung cấp khác nhau nên bộ biến tần CMOS có thể thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau.
• Bộ biến tần CMOS làm giảm hiệu ứng tải bằng cách rút rất ít dòng điện từ mạch điều khiển.
• Thời gian tăng và giảm đối xứng mà bộ biến tần CMOS thường hiển thị dẫn đến đặc tính truyền tín hiệu cân bằng và hiệu suất mạch được cải thiện.

Nhược điểm của CMOS Inverter

• Việc chế tạo CMOS có thể dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn do quy trình sản xuất phức tạp và nhiều bước.
• Bộ biến tần CMOS có độ trễ lan truyền hữu hạn do một số yếu tố khác nhau.
• Những khác biệt nhỏ trong quy trình sản xuất ảnh hưởng đến hiệu suất của CMOS có thể nhận thấy, dẫn đến sự chênh lệch giữa các bóng bán dẫn hoặc hành vi của chúng trong các mạch khác nhau.
• Người dùng tiềm năng có thể thấy rằng khả năng hoạt động ở dòng điện cao của bộ biến tần CMOS là một hạn chế so với các loại công nghệ khác như TTL vì chúng có khả năng xử lý công suất nhỏ hơn.
• Ngay cả với mức tiêu thụ điện năng tĩnh thấp, bộ biến tần CMOS vẫn cho thấy dòng điện rò rỉ, đặc biệt là ở các nút công nghệ nhỏ hơn, điều này cuối cùng góp phần làm tiêu tán điện năng tĩnh.

Ứng dụng của Biến tần CMOS

• Các thành phần cơ bản của các cổng logic kỹ thuật số khác nhau được sử dụng trong bộ xử lý, mạch nhớ và các hệ thống kỹ thuật số khác là bộ biến tần CMOS.
• Chúng được sử dụng để đệm và phân phối tín hiệu xung nhịp giữa các mạch tích hợp trong mạng phân phối xung nhịp.
• Trong các mạch tín hiệu hỗn hợp, bộ biến tần CMOS có thể được sử dụng để dịch chuyển mức, bao gồm việc chuyển đổi giữa các mức điện áp khác nhau.
• Chúng được sử dụng trong mạch dao động trong hệ thống kỹ thuật số để tạo ra tham chiếu thời gian và tín hiệu xung nhịp.
• Mạch chia tần số sử dụng bộ biến tần CMOS để chia tần số của tín hiệu đầu vào.
• Chúng được sử dụng trong các mạch có bộ điều chỉnh điện áp để điều chỉnh nguồn điện một cách ổn định.
• Bộ biến tần CMOS được sử dụng để điều khiển đèn LED  (Điốt phát quang) trong bảng hiển thị và mạch chỉ thị.
• Đèn LED được tích hợp vào các vùng chính của bộ nhớ máy tính được gọi là ô nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM).
• Để điều chỉnh và xử lý tín hiệu từ các cảm biến khác nhau , mạch giao diện cảm biến sử dụng bộ biến tần CMOS.
• Họ tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng bằng cách kiểm soát và quản lý việc phân phối điện năng trong các thiết bị điện tử.

Kết luận

Tóm lại, bộ biến tần CMOS thực sự là một thành phần quan trọng trong điện tử hiện đại nhờ tính hiệu quả và tính linh hoạt của nó. Nó được gọi là thiết bị kênh n, có thể được mô tả là thiết yếu vì nó được sử dụng cho mục đích khuếch đại và triệt tiêu tín hiệu. Được ưa chuộng cho nhiều loại khác nhau tùy theo chức năng và thiết kế, hoạt động của nó tập trung vào sự kết hợp mượt mà giữa các transistor loại n và loại p.

Việc chuyển mạch và đảo ngược tín hiệu hiệu quả được thực hiện nhờ sự tích hợp này. Các lớp vật liệu bán dẫn phức tạp được lắp ráp để tạo ra bộ biến tần CMOS nhằm đạt được hiệu suất tốt và mức tiêu thụ điện năng thấp. Điều quan trọng là phải hiểu một số thuật ngữ, bao gồm biên độ nhiễu và độ trễ lan truyền.

Tuy nhiên, bộ biến tần CMOS có những ưu điểm như tốc độ, khả năng chống nhiễu và hiệu suất năng lượng, nhưng một số nhược điểm bao gồm thiết kế phức tạp và dễ bị phóng tĩnh điện. Việc sử dụng rộng rãi trong các bộ nhớ, vi xử lý và mạch logic kỹ thuật số cho thấy tầm quan trọng sống còn của chúng đối với ngành điện tử hiện nay, qua đó mở ra một kỷ nguyên mới về khả năng tính toán và hiệu quả năng lượng.