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2010年4月26日 (月)

CMOSのはなし

CMOSとは
[Complementary Metal Oxide Semiconductor]で、P-CH MOS-FET/N-CH MOS-FETをコンプリメンタリに構成したICを指す。出力のFETのどちらかがONすることによって、電源電圧、GNDレベルにほぼ等しい出力電圧を得ることが出来る。静的にはどちらかのFETだけがONになるので電流はほとんど流れず、消費電力を下げることが出来る。Cmos
ハード的には
図はNANDゲートを構成するIC回路例ですが、下側のNCH-MOSはゲートがHighでON、上側の並列のPCH-MOSはゲートがLowでONになります。入力A,Bが共にHighの時上側のPCHがOFF,下側のNCHがONして出力はLowとなります。FETをスイッチとして考えると判りやすいと思います。初期のCMOSゲートICではもっぱらMOS-FETを使用した低消費電力を生かして使用されてきましたが、TTL置き換えで74HCシリーズ、高速化した74ACシリーズとTTLを上回るスピードのものも開発されました。やがてTTLと同じ閾値を持たせた 74HCTシリーズなどに置き換わりTTLはほぼ使われなくなりました。
 CMOSが低消費電力といっても静的な状態のことで、H->L, L->Hに切り替わる瞬間は電流が流れ、スイッチング周波数が高くなるにつれ、消費電力も多くなります。また、MOS-FETは入力がゲートが酸化膜で静電気に弱いことから、静電気に対する扱いに注意が必要です。
1)運搬には静電防護シートやケースなどに入れ、ポリ袋などは使わない
2)製品実装時は空いた入力端子は電源かGND電位に繋いでおく(オープンだと静電気による破壊や中間値になって過大電流が流れる恐れがあるから)
3)半田付けには、こてがアースされてAC電源の漏れ電圧などがかからないようにする。
4)電源端子直近には 0.1uF程度のデカップリングコンデンサーを必ず付ける。(上記閾値付近での大電流に対応するため、パルス的な信号で電源電圧が落ち込まないようにする)
 また、CMOS構造のため入力にマイナス電圧がかかると電流が流れゲートが破壊してしまいます。さらに静電対策のため、入力から電源端子に保護ダイオードが入っているICがほとんどですので、電源電圧より大きい電圧を入力することも出来ません。この点からも電源が共通でないロジック回路でCMOS側の電源が入っていない状態ではほぼCMOSの入力はショート状態と同じですので、ドライブする側が電流が流れすぎて壊れるなどのトラブルに注意する必要があります。
ソフト的には
CMOSのゲートICは国内ではあまり多くのメーカーで生産していない点や、各社1個/2個入りゲートICなど使いやすいパッケージがありますが、メーカー間であまり互換性のないので、入手性では数社調べておくことが大事だと考えます。主要なメーカーでは東芝セミコンダクターや海外メーカーのTIなどが有名です。

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