CMOS

CMOS (Complementary MOS) Bausteine zeichnen sich durch sehr niedrige Stromaufnahme auf. Die Schaltungen sind aus komplementären, selbstsperrenden MOSFETs aufgebaut, deren Schwellenspannungen bei ca. 1.5 V liegen. Die folgende Abbildung zeigt zur Verdeutlichung den internen Aufbau eines Inverters. Die beiden Transistoren liegen in Serie zwischen Versorgungsspannung und Masse, die beiden Gates sind miteinander verbunden.

Interner Aufbau eines CMOS-Inverters

Bei einer Versorgungsspannung von 5 V ist zumindest ein Transistor immer leitend, der andere dient jeweils als Arbeitswiderstand für den leitenden Transistor. Aus der Schwellenspannung von 1.5 V ergeben sich einige Konsequenzen für das Verhalten von CMOS-Schaltungen:

1. Die Betriebsspannung darf nicht unter 3V sinken. Im Allgemeinen können CMOS-Schaltungen mit Betriebsspannungen zwischen 3 und 15 V betrieben werden. Die maximale Schaltgeschwindigkeit steigt mit der Versorgungsspannung.

2. Im Bereich zwischen 1.5 V und Vcc-1.5 V leiten beide Transistoren. Dies bedeutet, dass beim Übergang von LOW auf HIGH oder umgekehrt für kurze Zeit ein Querstrom fließt. Da die Stromaufnahme von CMOS-Schaltungen im statischen Betrieb sehr gering ist, wird die Verlustleistung hauptsächlich von diesen Umschaltverlusten bestimmt. Je größer die Zahl der Pegelübergänge pro Sekunde ist, desto höher ist auch die Verlustleistung; die Verlustleistung ist also frequenzabhängig. Als Richtwert gilt, dass CMOS-Schaltungen bei etwa 4 MHz die gleiche Verlustleistung aufweisen wie LS-TTL-Schaltkreise, im statischen Betrieb ist sie jedoch etwa um den Faktor 10000 kleiner.

3. Die Spannung für den HIGH-Zustand beträgt bei 5 V Versorgungsspannung 3.5 V und ist somit nicht TTL-kompatibel. Ein TTL-Gatter, das definitionsgemäß einen minimalen HIGH-Pegel von 2.4 V aufweist, kann also ein CMOS-Gatter nicht ansteuern (umgekehrt sehr wohl). Als Abhilfe ist bei Kombination von TTL- und CMOS-Gattern ein Pull-up-Widerstand zwischen den Ausgang des TTL-Gatters und der Versorgungsspannung zu schalten.

Die Schaltzeiten von Metal-Gate-CMOS-Schaltungen (4000er-Serie) sind im Vergleich zu TTL-Schaltungen relativ groß (ca. 100 ns), was den Einsatz solcher Gatter in digitale Schaltungen mit typischen Taktfrequenzen von 10-20 MHz unmöglich macht. Eine neuere Entwicklung sind die Silicon-Gate-CMOS-Schaltungen, die zwar nur einen Betriebsspannungsbereich von 3-6 V aufweisen, jedoch eine um den Faktor zehn höhere Schaltgeschwindigkeit besitzen (HCMOS). Eine spezielle Gruppe dieser HCMOS-Familie stellen die HCT-Bauelemente dar, die durch eine spezielle Eingangsschaltung TTL-kompatibel sind.

CMOS-Schaltungen sind sehr empfindlich gegen statische Aufladung. Es sind daher zum Schutz der empfindlichen Gate-Elektroden Dioden integriert, die Überspannungen ableiten sollen.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick zu den wichtigsten Kenngrößen der verschiedenen Bausteinfamilien.