กำลังไฟฟ้า CMOS

กำลังไฟฟ้า CMOS

ใช้ CMOS

   กำลังไฟฟ้าที่ใช้สำหรับไอซีนั้น จะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ กำลังไฟฟ้าสแตติก (ในสภาวะคงที่) และกำลังไฟฟ้าไดนามิก (ในสภาวะเปลี่ยนแปลง) ซึ่งการใช้ HCMOS (High-Speed CMOS) แทน LSTTL จะทำให้ลดการใช้กำลังไฟฟ้าของวงจรนั้นไปได้มาก

โดยทั่วไปแล้วไอซีจะแบ่งเป็น 2 ตระกูล คือ TTL (Transistor-Tran-sister Logic) และ CMOS (Complement Metal-Oxide Semiconductor) ซึ่งแต่ละตระกูลก็จะมีลูกหลานออกมามากมาย ลูกหลานของเจ้า TTL ที่มีชื่อเสียงหน่อยก็คือ LSTTL (Low-power Schottky TTL) ซึ่งจะใช้กำลังต่ำ (เปรียบเทียบกับ TTL ปกติ) โดยจะมีความเร็วสูงในการทำงาน อย่างไรก็ตามตอนนี้ก็กำลังจะถูกลูกหลานในตระกูล CMOS ตัวหนึ่งดับรัศมีอยู่นั่นคือ HCMOS เพราะว่าเจ้า HCMOS ตัวนี้มีคุณสมบัติในการทำงานต่างๆ เท่าเทียมกันกับ LSTTL แต่ดีกว่าด้วยใช้กำลังไฟฟ้าน้อยกว่า LSTTL นั่นเอง เพื่อความเข้าใจในการใช้กระแสของ TTL จะต้องดูถึงว่าภายในของเกตนั้นทำอย่างไร

ในการออกแบบเพื่อเปลี่ยน LSTTL ไปเป็น HCMOS นั้น โดยทั่วไปแล้วจะสามารถนำไปเปลี่ยนหรือแทนที่กันได้ทันที เพราะ HCMOS ส่วนใหญ่จะมีฟังก์ชันและจำนวนขาเหมือนกับ TTL อยู่แล้ว เช่น 74LS138 และ 74HC138 ซึ่งเป็น 3 to 8 line decoder จะมีขาเหมือนกันเลย ดังนั้นเมื่อออกแบบไว้สำหรับ TTL แล้วต้องการเปลี่ยนเป็น HCMOSก็สามารถทำได้ทันที

แต่ในบางครั้งอาจต้องมีการต่อไอซีลอจิก 2 ตระกูลเข้าด้วยกัน ซึ่งอาจจะเป็นเพราะความสะดวกหรือต้องการคุณลักษณะพิเศษ ซึ่งมีอยู่เฉพาะในตระกูลหนึ่งเท่านั้น การเชื่อมต่อระหว่าง HCMOS กับลอจิกในตระกูลอื่น จะเห็นว่าอินพุตของ HCMOS เมื่อต่อกับ TTL นั้นต้องต่อตัวต้านทานพูลอัพ (pull-up resistor) ด้วย เพื่อให้แรงดันที่จะเข้าไปยังอินพุตของมันมีระดับที่เพียงพอจะให้มันสามารถทำงานได้ ซึ่งระดับแรงดันนี้ จะเห็นว่าระดับลอจิกของทั้ง TTL และ CMOS นั้นต่างกัน

บ่อยครั้งที่ในเกตประเภทเดียวกันจะมีทั้งแบบ CMOS และ NMOS ด้วยเหตุผล 2 ประเภท คือ (1) CMOS กินไฟน้อยกว่า และ (2) อุปกรณ์จำพวก CMOS นี้จะมีโหมดการทำงานที่เกี่ยวข้องกับการประหยัดพลังงานไฟฟ้าเช่น power-down โหมด, sleep, wait และ สแตนบายด์ฟังก์ชัน

ตัวอย่างที่สามารถแสดงให้เห็นชัดได้แก่ ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล 8051 ของอินเทล จะมีไมโครคอนโทรลเลอร์ 8052AH ซึ่งทำมาจาก NMOS และ 80C52 ซึ่งทำมาจาก CMOS โครงสร้างของทั้งสองเบอร์จะเหมือนกัน แต่ในเบอร์ 80C52 จะมีฟังก์ชันพิเศษที่ช่วยในการประหยัดพลังงานไฟฟ้าคือ ไอเดิลโหมด และเพาเวอร์ดาวน์โหมด โดยปกติ 80C52 กินกระแสไฟฟ้าเพียง 15 มิลลิแอมป์ ขณะที่ 8052AH จะใช้กระแสถึง 135 มิลลิแอมป์ ที่ความถี่สัญญาณนาฬิกา 12 เมกะเฮิรตซ์ และเมื่อใช้งาน 80C52 ในไอเดิลโหมดและเพาเวอร์ดาวน์โหมดแล้วมันจะกินกระแสไฟฟ้าเพียง 5 มิลลิแอมป์ และ 5 ไมโครแอมป์ตามลำดับ

อย่างไรก็ตามเมื่อมีการใช้งานในโหมดพิเศษเพื่อลดการใช้พลังงานไฟฟ้านั้น จะทำให้เวลาในการทำงานหรือประมวลผลข้อมูลช้าลง และทั้ง 2 โหมดประหยัดพลังงานไฟฟ้า สามารถอ้างถึงหรือกำหนดการใช้งานโดยผ่านทางซอฟต์แวร์ได้

อีกตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นการเปรียบเทียบด้านความต้องการกระแสไฟฟ้า ระหว่าง EPROM ขนาด 8 กิโลไบต์ ที่ทำจาก NMOS คือ เบอร์ TM2764 กับแบบ CMOS เบอร์ TMS27C64 ซึ่งจะเห็นว่า EPROM แบบ CMOS จะกินกระแสทั้งในสภาวะแอกทีฟ และสแตนบายด์น้อยกว่าแบบ NMOS มาก

สรุปการเลือกใช้อุปกรณ์ควรจะเลือกแบบ HCMOS ก่อน ถ้าไม่มีข้อเลือกอันถัดไปคือ แบบ CMOS อนุกรม 4000 แต่ถ้ามีปัญหาด้านความเร็ว และความสามารถทางจ่ายกระแสเอาต์พุตก็เลือกแบบ LSTTL แต่ต้องหลีกเลี่ยงการใช้อุปกรณ์จำพวก TTL ธรรมดาเพราะมันจะกินกระแสไฟฟ้าสูงมาก

สำหรับในการทำงานย่านความถี่ที่สูงกว่า 30 เมกะเฮิรตซ์ ควรใช้ CMOS ชนิด Advanced HCMOS ไอซีตระกูลนี้เพิ่งเกิดขึ้นมาใหม่ในวงการอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นในการใช้งานจึงควรดูคู่มือประกอบด้วย เพื่อประโยชน์สูงสุดในการใช้งาน