8-8-8-0 - System Digital

Sistem Digital
CMOS Transistor
Charity
Dwi Fimoza
Rian Rivaldo
King Genantan
Chris Nadiya
Radifan Fariz
Program Studi S-1 Ilmu Komputer
Fakultas Ilmu Komputer dan Teknologi Informasi
Universitas Sumatera Utara
CMOS Transistor
Complementary
metal–oxide–semiconductor (CMOS)
atau
semikonduktor–
oksida–logam komplementer, adalah sebuah jenis utama dari rangkaian terintegrasi.
Teknologi CMOS digunakan di mikroprosesor, pengontrol mikro, RAM statis, dan sirkuit
logika digital lainnya. Teknologi CMOS juga digunakan dalam banyak sirkuit analog, seperti
sensor gambar, pengubah data, dan trimancar terintegrasi untuk berbagai jenis
komunikasi. Frank Wanlass berhasil mematenkan CMOS pada tahun 1967 (US Patent
3,356,858). Kata komplementer-simetris merujuk pada kenyataan bahwa biasanya desain
digital berbasis CMOS menggunakan pasangan komplementer dan simetris dari MOSFET
semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n untuk fungsi logika. Jika n-MOS (n-Channel
MOSFET) dan p-Channel MOSFET digabungkan, akan dihasilkan device CMOS yang
rangkaian gabungan dan daerah kerjanya dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Sirkuit
CMOS yang menggunakan kombinasi MOSFET tipe-n dan tipe-p untuk mengkonstruksi
gerbang logika dan sirkuit digital yang ditemui di komputer, peralatan komunikasi, dan
perlatan pemroses sinyal. Walaupun logika CMOS dapat dibangun dari komponen terpisah,
biasanya produk CMOS adalah rangkaian terintegrasi yang terdiri dari jutaan transistor pada
speotng silicon seluas antara 0,1 hingga 4 sentimeter persegi. Peranti tersebut biasanya
disebut dengan chip, sedangkan untuk perindustrian juga diisebut dengan die (tunggal) atau
dice (jamak). Untuk penggunaan CMOS ini, diharuskan mengubah-ubah daerah kerjanya
antara cut-off dan saturasi.
Prinsip utama di balik litar CMOS yang menjadikannya dapat digunakan untuk
gerbang logika adalah penggunaan MOSFET type-p dan type-n untuk membuat jalan menuju
keluaran dari sumber tegangan atau dibumikan. Ketika jalan menuju keluaran dibuat dari
sumber tegangan, litar ini disebut pull-up. Di lain pihak, litar dinyatakan pull-down jika jalan
menuju keluaran dibuat dari bumi.
Dua karakter penting dari CMOS adalah kekebalan desahnya yang tinggi dan
penggunaan daya statis yang rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam CMOS
berpindah di antara kondisi hidup dan mati. Akibatnya, peranti CMOS tidak menimbulkan
bahang sebanyak sirkuit logika lainnya, seperti logika transistor-transistor (TTL) atau logika
NMOS, yang hanya menggunakan peranti tipe-n tanpa tipe-p. CMOS juga memungkinkan
chip logika dengan kepadatan tinggi dibuat. Pada prinsipnya IC TTL dan IC CMOS
mempunyai dasar pengertian yang sama. Apabila pengetahuan mengenai IC TTL sudah
dikuasai maka untuk memahami IC CMOS tidak akan menemui kesulitan. Walaupun
demikian ada beberapa perbedaan, juga keuntungan dan kerugiannya.
Keuntungan menggunakan IC CMOS:
1. Konsumsi daya rendah. Daya hanya diambil saat transistor dalam CMOS berpindah di
antara kondisi hidup dan manit. Akibatnya, peranti CMOS tidak menimbulkan bahang
sebanyak sirkuit logika lainnya.
2. Memungkinkan pemiliihan tegangan sumbernya yang jauh lebih lebar.
3. Memungkinkan penempatan sirkuit yang lebih padat daripada teknologi lain yang
mempunyai fungsi sama
4. Sedikit noise
5. Logika ditentukan oleh nilai tegangan
6. Skematik relative sederhana
7. Transisi waktu simetris
Proyek-proyek yang menggunakan IC CMOS akan mengkonsumsi baterai dalam
waktu yang jauh ebih lama dibandingkan dengan rangkaian yang sama dengan menggunakan
IC TTL.
Kerugian menggunakan IC CMOS:
1. Meningkatkan kemungkinan rusaknya komponen akibat elektrostatis
2. Harga lebih mahal
Karena itu, IC CMOS dikemas dengan bahan konduktif. Usahakan untuk tidak
menyentuh secara lansung pin-pin yang ada. Sebagai catatan, semua masukan CMOS harus
diletakkan di bawah / dibumikan atau dihubungkan ke sumber tegangan. Tidak seperti IC
TTL yang dapat beroperasi walaupun ada beberapa masukannya yang diambangkan, IC
CMOS akan beroperasi secara salah jika ada masukannya yang tidak diambangkan. CMOS
merujuk pada desain sirkuit digital tertentu dan proses-proses yang digunakan untuk
mengimplementasikan sirkuti tersebut dalam rangkaian terintegrasi.
Kalimat "metal–oxide–semiconductor" atau semikonduktor–logam–oksida adalah
sebuah sebutan pada struktur fisik beberapa transistor efek medan, memiliki gerbang
elektrode logam yang terletak di atas isolator oksida logam, yang juga berada di atas bahan
semikonduktor. Aluminium digunakan pertama kali, tetapi sekarang digunakan bahan
polisilikon. Gerbang logam lain dibuat seiring kedatangan material dielektrik permitivitas
tinggi di dalam proses pembuatan CMOS, seperti yang diumumkan oleh IBM dan Intel untuk
node 45 nanometer dan lebih kecil.
Letak Baterai CMOS
Fungsi utama baterai CMOS adalah untuk mensuplai tenanga bagi BIOS untuk melakukan
settingan terhadap sebuah mainboard. BIOS sendiri merupakan sebuah aplikasi bawaan dari
mainboard untuk dapat melakukan pengontrolan dan pendeteksian terhadap komponenkomponen lain yang terhubung ke mainboard (hardware lain). Melalui BIOS, pengguna dapat
melakukan pengaturan terhadap kinerja serta fungsi-fungsi sebuah mainboard. BIOS
memiliki chipset tersendiri dalam sebuah mainboard dengan ukuran yang cukup kecil (sekitar
1cm).
Pembalikan
Litar CMOS didesain sedemikian rupa sehingga semua transistor PMOS harus
mempunyai masukan dari sumber tegangan ataupun dari transistor PMOS lainnya. . Sama
dengan hal itu, semua transistor NMOS harus mempunyai masukan dari ground atau
transistor NMOS lainnya. Komposisi dari transistor PMOS menimbulkan resistansi rendah
ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi tinggi ketika tegangan tinggi
dikenakan padanya. Di lain pihak, komposisi dari transistor NMOS mengakibatkan resistansi
tinggi ketika tegangan rendah dikenakan padanya, dan resistansi rendah ketika tegangan
tinggi dikenakan padanya.
Gambar di kiri menunjukkan apa yang terjadi jika sebuah
masukkan disambungkan ke transistor PMOS dan transistor
NMOS. Ketika tegangan masukan A rendah, transistor
NMOS mempunyai resistansi tinggi sehingga mencegah
tegangan untuk bocor ke ground, sedangkan transistor PMOS
mempunyai resistansi rendah sehingga memungkinkan
sumber tegangan untuk memindahkan tegangan menuju ke
keluaran melalui transistor PMOS. Keluaran seharusnya
menunjukkan tegangan tinggi (logika 1).
Di lain pihak, ketika tegangan di masukan A tinggi, transistor PMOS akan memiliki resistansi
tinggi sehingga menghalangi sumber tegangan dari keluaran, sedangkan transistor NMOS
mempunyai resistansi rendah yang memungkinkan keluaran untuk membuang ke ground. Ini
akan menyebabkan keluaran menunjukkan tegangan rendah (logika 0). Singkatnya, keluaran
transistor PMOS dan NMOS selalu komplementer. Karenanya, keluaran sirkuit CMOS pada
dasarnya adalah pembalikan dari masukan.
Kejodohan
Karakteristik penting dari sirkuit CMOS adalah kejodohan antara transistor PMOS dan
transistor NMOS. Sebuah sirkuit CMOS didesain sehingga selalu ada jalur dari keluaran ke
salah satu sumber tegangan atau ground. Untuk menyelesaikannya, kombinasi dari semua
jalur ke sumber tegangan hapus merupakan komplemen dari jalur ke ground. Ini dapat
diselesaikan dengan mudah dengan menentukan salah satu adalah NOT lainnya. Logika
bekerja berdasarkan hukum De Morgan sehingga transistor PMOS paralel ekivalen dengan
transistor NMOS seri, sedangkan transistor PMOS seri ekivalen dengan transistor NMOS
paralel.
Logika
Fungsi logika yang lebih kompleks seperti AND dan OR memerlukan manipulasi jalur di
antara gerbang untuk membuat logika. Ketika sebuah jalur yang terdiri dari dua transistor
seri, lalu semua transistor hapus mempunyai resistansi rendah untuk membiarkan tegangan
melewatinya, menunjukkan sebuah gerbang AND. Ketika sebuah jalur terdiri dari dua
transistor paralel, lalu salah satu transistor harus mempunyai resistansi
rendah untuk membiarkan tegangan melewatinya, menunjukkan gerbang
OR.
Diperlihatkan di kanan adalah diagram sirkuit dari gerbang NAND di
logika CMOS. Jika semua masukan A dan B tinggi, dan semua transistor
NMOS (separuh bawah) akan menghantar, dan transistor PMOS
(separuh atas) tidak menghantar, dan sebuah jalur akan terbentuk antara
keluaran dan Vss (ground), membuat keluaran rendah. Jika salah satu
masukan A atau B rendah, salah satu transistor NMOS tidak akan menghantar, sedangkan
salah satu transistor NMOS akan menghantar, dan jalur akan terbentuk antara keluaran dan
Vdd(sumber tegangan), membuat keluaran tinggi.
Sebuah keunggulan logika CMOS daripada logika NMOS adalah semua pensakelaran antara
rendah-tinggi dan tinggi-rendah adalah cepat karena transistor pull-up memiliki resistansi
rendah saat dihidupkan, tidak seperti resistor beban di logika NMOS. Untuk tambahan, sinyal
keluaran mengayun penuh di antara catu positif dan negatif. Sinyal yang kuat dan simetris ini
membuat CMOS lebih kebal terhadap desah.
Perhitungan Kekomplekan
Untuk desain sel standar digital, atau langsung saja utuk CMOS, sebuah ukuran yang umum
untuk menentukan kekomplekan suatu desain logika adalah gerbang ekivalen (GE).
Daya
Logika CMOS memboroskan lebih sedikit daya dibandingkan dengan logika NMOS
karena CMOS hanya memboroskan daya hanya saat pensakelaran ("daya dinamis"). Pada
proses 90 nanometer modern, pensakelaran keluaran memerlukan waktu 120 pikosekon, dan
berulang setiap sepuluh nanosekon. Logika NMOS memboroskan daya ketika keluaran
rendah ("daya statis"), karena terdapat jalur dari Vdd ke Vssmelalui resistor beban dan jaringan
tipe-n.
Sirkuit CMOS memboroskan daya dengan mengisi kapasitas liar ketika pensakelaran.
Muatan yang bergerak adalah perkalian antara kapasitas liar dengan perubahan tegangan.
Kalikan dengan frekuensi pensakelaran untuk mendapatkan arus borosan, dan kalikan dengan
tegangan lagi untuk mendapatkan borosan daya karakteristik peranti CMOS .
Sebuah borosan daya yang lain ditemukan pada 1990-an saat kabel pada chip menjadi
lebih panjang dan lebih tipis. Gerbang CMOS pada ujung kabel tersebut menerima transisi
masukan yang lambat. Ditengah-tengah transisi masukan, semua transistor baik NMOS
ataupun PMOS untuk sementara hidup bersamaan, dan arus mengalir langsung dari Vdd ke
Vss. Daya yang digunakan disebut daya "linggis". Desain yang hati-hati dimana menghindari
kawat penggerak yang terlalu panjang mengurangi borosan ini, dan sekarang daya linggis
selalu lebih rendah daripada daya pensakelaran.
Baik transistor NMOS ataupun PMOS memiliki gerbang–sumber tegangan tahan.
Desain CMOS yang beroperasi pada tegangan catu yang jauh lebih tinggi dari tegangan tahan
(Vdd lebih dari 5 V, dan Vthuntuk transistor NMOS dan PMOS adalah 700 mV).
Untuk mempercepat desain, produsen beralih ke bahan gerbang yang memiliki
tegangan tahan yang lebih rendah. Sebuah transistor NMOS modern dengan Vth of 200 mV
memiliki kebocoran arus pratahan yang signifikan. Desain yang berusaha mengoptimalkan
proses pembuatan untuk borosan daya minimum selama operasi telah menekan Vthsehingga
bocoran arus kira-kira sama dengan daya pensakelaran. Sebagai akibatnya, peranti tersebut
memboroskan daya walaupun tidak terjadi pensakelaran. Pengurangan bocoran daya
menggunakan bahan baru dan desain sistem sangat dibutuhkan untuk menjaga eksistensi
CMOS. Pabrikan memandang pengenalan dielektrik permitivitas tinggi untuk mengatasi
bocoran arus pada gerbang dengan mengganti silikon dioksida dengan bahan yang
mempunyai permitivitas lebih tinggi.
Sumber Pustaka
https://id.wikipedia.org/wiki/CMOS
http://infotech-high.blogspot.co.id/2011/02/cmos-ccd.html
http://djati-selatan.blogspot.co.id/2013/11/pengertian-cmos.html