Ik hield niet zo van Cmos Ic’s toen ik jong was, vooral omdat ze (in die tijd) vaak snel stuk gingen door statische elektriciteit Ik gebruikte liever de meer robuuste TTL Ic’s en in de meeste computerschakelingen zag ik ook meestal TTL in plaats van Cmos, behalve bij de processoren. Op deze pagina vertel ik wat meer over Cmos ic’s. Cmos ic’s bevatten digitale schakelingen en kunnen voor meer doeleinden gebruikt worden dan men op het eerste gezicht zou denken. Toen in de jaren zeventig voor het eerst Cmos schakelingen werden geïntroduceerd, waren zij veel duurder dan de andere logica-families, nu is dat niet meer zo en zijn zij bijna het goedkoopst van allemaal. Eenvoudige Cmos ic’s zijn zelfs vaak goedkoper dan normale transistoren.
Oudere TTL IC’s hebben een paar nadelen, ze hebben een relatief groot stroomverbruik, de voedingsspanning is nogal kritisch (5 v 10%) en de ingangsimpedantie is nogal laag, in de orde van een paar honderd ohm. Cmos ic’s hebben geen van deze nadelen en ze verbruiken zeer weinig stroom en eenvoudige poortschakelingen verbruiken nagenoeg geen vermogen, wanneer zij in een statische toestand verkeren. De voedingsspanning is voor de meeste Cmos ic’s tussen de 3 Volt en de 15 Volt. De ingangsimpedantie van een Cmos ic is erg groot en wel in de orde van 1.000.000 megohm. Voor de meeste toepassingen kan dit als oneindig hoog worden beschouwd. Cmos schakelingen zijn dus eerder spanning- dan stroom gestuurd.
Opbouw van de Cmos schakeling
De meest eenvoudige Cmos schakeling is de inverter die uit slechts twee actieve onderdelen bestaat. De uitgang van deze schakeling kent ook slechts twee stabiele toestanden “hoog” en “laag” en de werking van de schakeling is gemakkelijk te begrijpen. De uitgang moet het tegenovergestelde niveau hebben als de ingang.
Deze inverter bevat een P-channel IGFET (insulated gate field effect transistor) en een N-channel IGFET. De ingang is of ‘hoog’ wanneer de potentiaal ervan in de nabijheid van de positieve voedingsspanning ligt, of “laag’ wanneer de potentiaal in de buurt van de negatieve voedingsspanning ligt. Deze toestanden worden ook wel logisch “1 respectievelijk logisch 0 genoemd. Een IGFET heeft een zeer grote draln-source weerstand, wanneer de spanning op de gate dezelfde is als die op de source. In deze schakeling kan slechts één van de twee IGFET’s in geleidende toestand zijn en keren ze het niveau van de ingang spanning dus om.
Men zou hierdoor de indruk kunnen krijgen dat de schakeling helemaal geen stroom verbruikt, maar dit is niet het geval, transistoren zijn geen volmaakte schakelaars, ze hebben een weerstand van een paar honderd ohm wanneer ze in geleiding zijn en van duizenden megohm wanneer ze sperren. Er loopt dus ook door een statische inverter een zeer kleine stroom. Er ontstaat slechts een kleine stroomimpuls in de schakeling wanneer deze van toestand verandert. Hoewel Cmos IC’s aan de uitgang slechts een kleine stroom kunnen leveren, hebben zij toch een grote ‘fanout’ bij gebruik van andere Cmos IS’s omdat de vereiste ingangsstroom te verwaarlozen is.
Beveiliging van cmos schakelingen
Wat de meeste lezers waarschijnlijk wel zullen weten worden IGFETs gemakkelijk beschadigd door de hoge spanningen van statische lading. Zelfs iemand met een nylon shirt kan de oorzaak vormen van het beschadigen van een IGFET wat de indruk zou kunnen wekken dat Cmos IC’s erg teer en bijna niet bruikbaar zijn. De werkelijkheid is dat alle huidige Cmos IC’s intern zijn voorzien van beveiligingsdioden, die de spanning op ingangen tot een veilige waarde begrenzen. Toch is het aan te bevelen een paar eenvoudige regels te volgen, wanneer men met Cmos ic’s omgaat. De ic’s worden meestal geleverd met de aansluitpennen gestoken in een stukje geleidend schuim en het best kan men het ic in dit schuim laten totdat men het werkelijk nodig heeft. Verwijder een IC nooit uit de voet wanneer de voedingsspanning nog is ingeschakeld en draag bij voorkeur een geaard armbandje wanneer u met Cmos Ic’s werkt.