MOS-Schaltkreisfamilie

Verknüpfungsglieder der MOS-Unterfamilien sind mit MOS-Feldeffekt-Transistoren aufgebaut.
Diese Art von Transistor benötigt fast keine Steuerleistung, haben eine sehr kleine Bauform und sind einfach herzustellen. Die Kapazitäten des MOS-FETs sind jedoch für lange Schaltzeiten verantwortlich. Und sie sind empfindlich gegen statische Aufladungen, die zur Zerstörung der Bauteile führen kann. Deshalb sind bei der Verarbeitung von MOS-Schaltungen besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

PMOS

In den Verknüpfungsgliedern der PMOS-Unterfamilie werden selbstsperrende p-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistoren verwendet. Widerstände werden durch Feldeffekt-Transistoren mit besonderen Eigenschaften ersetzt.
PMOS-Glieder arbeiten langsam aber Störsicher und benötigen eine große negative Betriebsspannung (-9..-20 V).

NMOS

In den Verknüpfungsgliedern der NMOS-Unterfamilie werden selbstsperrende n-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistoren verwendet. Eine andere Halbleitertechnologie ermöglicht eine Signallaufzeit wie bei Standard-TTL-Gliedern (10 ns). Durch eine Betriebsspannung von 5 V sind die NMOS-Glieder zu TTL-Gliedern kompatibel.

CMOS

Die übliche Bezeichnung CMOS ist die Abkürzung von Complementary Symmetry-Metal Oxide Semiconductor. Die deutsche Übersetzung dazu lautet Komplementär-symmetrischer Metall-Oxid-Halbleiter.
In den Schaltgliedern dieser MOS-Unterfamilie werden nur selbstsperrende MOS-FETs verwendet.
Der Leistungsbedarf der CMOS-Glieder ist extrem niedrig (bis 10 nW) und hängt hauptsächlich von der Umschalthäufigkeit (max. 50 MHz) ab.
Wegen der festlegbaren Betriebsspannung von +3 V bis +15 V und ihrer großen Integrationsdichte haben die CMOS-Glieder ein großes Anwendungsgebiet erobert.

Vergleich: MOS-Schaltkreisfamilie

Unterfamilie PMOS NMOS CMOS
Betriebsspannung -9 bis -12V +5V +3 bis +15V
Leistung je Glied bei  L-Pegel 6 mW 2 mW 5 bis 10 mW
Leistung je Glied bei H-Pegel 0 mW 0 mW
Signallaufzeit/Schaltzeit 40 ns 5 ns 8 ns
Größte Schaltfrequenz 10 MHz 80 MHz 50 MHz
Störspannungsabstand 5V ~2V 2V

Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit CMOS-ICs

  • Verarbeitungsraum mit elektrisch leitfähigem Fußbodenbelag
  • Arbeitstisch mit leitfähigem und geerdetem Belag
  • Arbeitskleidung aus Kunststoff vermeiden
  • Manschette am Handgelenk, die über eine flexible Leitung geerdet ist
  • MOS-Bausteine nicht verlöten, sondern über Sockel in die Schaltung einbauen

CMOS in der Praxis

Die Spannungsbereiche für die Ein- und Ausgangspegel bei CMOS-ICs sind von der Höhe der Betriebsspannung abhängig. Die ICs werden meist mit 5 V oder mit 10 V bzw. 12 V betrieben.
Werden in einer Schaltung gleichzeitig CMOS- und TTL-ICs eingesetzt, wird eine Betriebsspannung von 5 V benötigt. Sind in einer Schaltung aber nur CMOS-ICs, wird meist eine Betriebsspannung von 10 V gewählt. CMOS-ICs weisen vor allem wegen des hohen Störabstandes eine größere Betriebssicherheit auf.

Wichtige schaltungstechnische Maßnahmen:

  • Bei CMOS-ICs müssen alle Eingänge, auch die von nicht benutzten Gattern, beschaltet werden.
  • Die Eingänge müssen eindeutig mit H- oder L-Pegel beschaltet werden.

Die Kenndaten der Schaltkreisfamilien LS-TTL und CMOS im Vergleich

Kenndaten LS-TTL CMOS
Betriebsspannung 5 V 3 V bis 15 V
5 V 10 V
minimale H-Eingangsspannung 2,0 V 3,5 V 7,0 V
maximale L-Eingangsspannung 0,7 V 1,5 V 3,0 V
minimale H-Ausgangsspannung 2,4 V 4,95 V 9,95 V
maximale L-Ausgangsspannung 0,4 V 0,05 V 0,05 V
statischer Störabstand (minimal) 0,4 V 1,45 V 2,95 V

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