你真的了解CMOS吗?CMOS知识点全解

CMOS在电路中具有重要作用，大家对于CMOS通常较为耳熟。但是，大家对于CMOS却未必十分了解。为增进大家对CMOS的认识，本文将对CMOS相关知识予以详细介绍。如果你对本文内容具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

一、发展历史

1963年，仙童半导体(Fairchild Semiconductor)的Frank Wanlass发明了CMOS电路。到了1968年，美国无线电公司(RCA)一个由亚伯·梅德温(Albert Medwin)领导的研究团队成功研发出第一个CMOS集成电路(Integrated Circuit)。早期的CMOS元件虽然功率消耗比常见的晶体管-晶体管逻辑电路(Transistor-to-Transistor Logic, TTL)要来得低，但是因为操作速度较慢的缘故，所以大多数应用CMOS的场合都和降低功耗、延长电池使用时间有关，例如电子表。不过经过长期的研究与改良，今日的CMOS元件无论在使用的面积、操作的速度、耗损的功率，以及制造的成本上都比另外一种主流的半导体制程BJT(Bipolar Junction Transistor，双载子晶体管)要有优势，很多在BJT无法实现或是实作成本太高的设计，利用CMOS皆可顺利的完成。

早期分离式CMOS逻辑元件只有“4000系列”一种(RCA 'COS/MOS'制程)，到了后来的“7400系列”时，很多逻辑芯片已经可以利用CMOS、NMOS，甚至是BiCMOS(双载子互补式金氧半)制程实现。

早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比，很容易受到静电放电(ElectroStatic Discharge, ESD)的破坏。而新一代的CMOS芯片多半在输出入接脚(I/O pin)和电源及接地端具备ESD保护电路，以避免内部电路元件的闸极或是元件中的PN接面(PN-Junction)被ESD引起的大量电流烧毁。不过大多数芯片制造商仍然会特别警告使用者尽量使用防静电的措施来避免超过ESD保护电路能处理的能量破坏半导体元件，例如安装内存模组到个人电脑上时，通常会建议使用者配戴防静电手环之类的设备。

此外，早期的CMOS逻辑元件(如4000系列)的操作范围可由3伏特至18伏特的直流电压，所以CMOS元件的闸极使用铝做为材料。而多年来大多数使用CMOS制造的逻辑芯片也多半在TTL标准规格的5伏特底下操作，直到1990年后，有越来越多低功耗的需求与讯号规格出现，取代了虽然有着较简单的讯号接口、但是功耗与速度跟不上时代需求的TTL。此外，随着MOSFET元件的尺寸越做越小，闸极氧化层的厚度越来越薄，所能承受的闸极电压也越来越低，有些最新的CMOS制程甚至已经出现低于1伏特的操作电压。这些改变不但让CMOS芯片更进一步降低功率消耗，也让元件的性能越来越好。

近代的CMOS闸极多半使用多晶硅制作。和金属闸极比起来，多晶硅的优点在于对温度的忍受范围较大，使得制造过程中，离子布值(ion implantation)后的退火(anneal)制程能更加成功。此外，更可以让在定义闸极区域时使用自我校准(self-align)的方式，这能让闸极的面积缩小，进一步降低杂散电容(stray capacitance)。2004年后，又有一些新的研究开始使用金属闸极，不过大部分的制程还是以多晶硅闸极为主。关于闸极结构的改良，还有很多研究集中在使用不同的闸极氧化层材料来取代二氧化硅，例如使用高介电系数介电材料(high-K dielectric)，目的在于降低闸极漏电流(leakage current)。

二、CMOS应用

(一)计算机领域

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，本意是指互补金属氧化物半导体——一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料)是微机主板上的一块可读写的ROM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。CMOS ROM本身只是一块存储器，只有数据保存功能，而对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序。

早期的CMOS设置程序驻留在软盘上的(如IBM的PC/AT机型)，使用很不方便。现在多数厂家将CMOS设置程序做到了 BIOS芯片中，在开机时通过按下某个特定键就可进入CMOS设置程序而非常方便地对系统进行设置，因此这种CMOS设置又通常被叫做BIOS设置。

CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低，因此，计算机里一个纽扣电池就可以给它长时间地提供电力。

在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是CPU中的一块只读的ROM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。

早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装)，共有64个字节存放系统信息。386以后的微机一般将 MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206，PQFP封装)，586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做DALLDA DS1287的芯片中。随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOS RAM一般都有128字节及至256字节的容量。为保持兼容性，各BIOS厂商都将自己的BIOS中关于CMOS ROM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOS ROM格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。

CMOS的设置内容

大致都包含如下可设置的内容：

1.Standard CMOS Setup：标准参数设置，包括日期，时间和软、硬盘参数等。

2.BIOS Features Setup：设置一些系统选项。

3.Chipset Features Setup：主板芯片参数设置。

4.Power Management Setup：电源管理设置。

5.PnP/PCI Configuration Setup：即插即用及PCI插件参数设置。

6.Integrated Peripherals：整合外设的设置。

7.其他：硬盘自动检测，系统口令，加载缺省设置，退出等

微电子学中的CMOS概念：

CMOS，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)集成在一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的ROM芯片。

CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。

(二)数码相机领域

CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件(常见的有TTL和CMOS)，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。

相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有一下优点:

1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计

2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强

3、静态功耗低

4、隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多

(三)媒介研究方法

美国IAB 互动广告署 (Internet Advertising Bureau) 于2003年起联合知名品牌广告主、媒体、媒介代理等参与方，共同推动 XMOS 跨媒体优化研究(Cross Media Optimization Study)，吸引多芬、麦当劳、福特、ING等众多品牌参与，以及Google, Yahoo, AOL、MSN、cnet等媒体。

IAB 在英国、欧洲、澳大利亚等互联网广告较为成熟的国家同步推进，对于提高广告投放ROI形成了非常有效的指导和帮助

调研公司 Dynamic Logic等也在美国市场推动跨媒体研究，包含电视、互联网、平媒、户外等媒介评估 ，帮助广告主优化媒介、营销方法。

三、CMOS集成电路介绍

自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路(IC)后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃。

CMOS是:金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC( Complementary MOS Integrated Circuit)。

目前数字集成电路按导电类型可分为双极型集成电路(主要为TTL)和单极型集成电路(CMOS、NMOS、PMOS等)。CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦(nw)数量级。

CMOS发展比TTL晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐渐取代了TTL。

以下比较两者性能，大家就知道其原因了。

1.CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成

2.CMOS的逻辑电平范围比较大(5～15V)，TTL只能在5V下工作

3.CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差

4.CMOS功耗很小，TTL功耗较大(1～5mA/门)

5.CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当。

集成电路中详细信息：

1.TTL电平：

输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。

2.CMOS电平：

1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。

3.电平转换电路：

因为TTL和CMOS的高低电平的值不一样(ttl 5v<==>cmos 3.3v)，所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。哈哈

4.驱动门电路

OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外接上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。

5.TTL和CMOS电路比较：

1)TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。

2)TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。

CMOS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。

3)CMOS电路的锁定效应：

CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

防御措施：

1)在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。

2)芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3)在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4)当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源;关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。

6.CMOS电路的使用注意事项

1)CMOS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。

2)输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的

电流限制在1mA之内。

3)当接长信号传输线时，在CMOS电路端接匹配电阻。

4)当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。

5)CMOS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏CMOS。

7.TTL门电路中输入端负载特性(输入端带电阻特殊情况的处理)：

1)悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。

2)在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。CMOS门电路就不用考虑这些了。

8.TTL和CMOS电路的输出处理

TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢?那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出;OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。

9.什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别?

TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA.

打开电脑的主机箱,可以在主板右侧看到一块"圆"形成扁体的电池,这块电池也称CMOS电池,保存主板信息的BIOS设置,我在网吧工作,经常碰到主机启动不了的情况,一般比较容易见效的方法是:将主机电源拔出来,意思是把电源线从电源盒拿下来,这样是完全断电状态,取下主板电脑可以看到两个金属片,成上下,也就是正\负极电路,将其对接让它短路,按着几秒钟,放电基本成功.

还有一种叫小COMS放电:同样将电源线从电源盒上拔下来,在这样的状态下按"开机"按钮,重试几下,系统也将小放电,一般也可以解决电脑无法开机的问题。

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