最強(qiáng)梳理! 使用CMOS集成電路需注意的幾個問題

目前數(shù)字集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路(主要為TTL)和單極型集成電路(CMOS、NMOS、PMOS等)。CMOS電路的單門靜態(tài)功耗在毫微瓦(nw)數(shù)量級。

CMOS集成電路的簡介

CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，電壓控制的一種放大器件。是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。

金屬-氧化物-半導(dǎo)體 (Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為 CMOS-IC ( Complementary MOS Integrated CIRcuit)。

CMOS集成電路的性能特點(diǎn)

微直流功耗 — CMOS電路的單門靜態(tài)功耗在毫微瓦(nw)數(shù)量級。

高噪聲容限 — CMOS電路的噪聲容限一般在40%電源電壓以上。

寬工作電壓范圍 — CMOS電路的電源電壓一般為1.5~18伏。

高邏輯擺幅 — CMOS電路輸出高、低電平的幅度達(dá)到全電壓的“1”為VDD，邏輯“0”為VSS。

高輸入阻抗 —CMOS電路的輸入阻抗大于108Ω,一般可達(dá)1010Ω。

高扇出能力 — CMOS電路的扇出能力大于50。

低輸入電容— CMOS電路的輸入電容一般不大于5PF。

寬工作溫度范圍— 陶瓷封裝的CMOS電路工作溫度范圍為 - 55 0C ~ 125 0C;塑封的CMOS電路為 – 40 0C ~ 85 0C。

所有的輸入均有刪保護(hù)電路，良好的抗輻照特性等。

使用CMOS集成電路需注意的幾個問題

集成電路按晶體管的性質(zhì)分為TTL和CMOS兩大類，TTL以速度見長，CMOS以功耗低而著稱，其中CMOS電路以其優(yōu)良的特性成為目前應(yīng)用最廣泛的集成電路。在電子制作中使用CMOS集成電路時，除了認(rèn)真閱讀產(chǎn)品說明或有關(guān)資料，了解其引腳分布及極限參數(shù)外，還應(yīng)注意以下幾個問題：

1、電源問題

(1) CMOS集成電路的工作電壓一般在3-18V，但當(dāng)應(yīng)用電路中有門電路的模擬應(yīng)用(如脈沖振蕩、線性放大)時，最低電壓則不應(yīng)低于4.5V。由于CMOS集成電路工作電壓寬，故使用不穩(wěn)壓的電源電路CMOS集成電路也可以正常工作，但是工作在不同電源電壓的器件，其輸出阻抗、工作速度和功耗是不相同的，在使用中一定要注意。

(2)CMOS集成電路的電源電壓必須在規(guī)定范圍內(nèi)，不能超壓，也不能反接。因?yàn)樵谥圃爝^程中，自然形成許多寄生二極管，如圖1所示為反相器電路，在正常電壓下，這些二極管皆處于反偏，對邏輯功能無影響，但是由于這些寄生二極管的存在，一旦電源電壓過高或電壓極性接反，就會使電路產(chǎn)生損壞。

2、驅(qū)動能力問題

CMOS電路的驅(qū)動能力的提高，除選用驅(qū)動能力較強(qiáng)的緩沖器來完成之外，還可將同一個芯片幾個同類電路并聯(lián)起來提高，這時驅(qū)動能力提高到N倍(N為并聯(lián)門的數(shù)量)。

3、輸入端的問題

(1)多余輸入端的處理。CMOS電路的輸入端不允許懸空，因?yàn)閼铱諘闺娢徊欢?，破壞正常的邏輯關(guān)系。另外，懸空時輸入阻抗高，易受外界噪聲干擾，使電路產(chǎn)生誤動作，而且也極易造成柵極感應(yīng)靜電而擊穿。所以“與”門，“與非”門的多余輸入端要接高電平，“或”門和“或非”門的多余輸入端要接低電平。若電路的工作速度不高，功耗也不需特別考慮時，則可以將多余輸入端與使用端并聯(lián)。

(2)輸入端接長導(dǎo)線時的保護(hù)。在應(yīng)用中有時輸入端需要接長的導(dǎo)線，而長輸入線必然有較大的分布電容和分布電感，易形成LC振蕩，特別當(dāng)輸入端一旦發(fā)生負(fù)電壓，極易破壞CMOS中的保護(hù)二極管。其保護(hù)辦法為在輸入端處接一個電阻，如圖3所示， R=VDD/1mA。

(3)輸入端的靜電防護(hù)。雖然各種CMOS輸入端有抗靜電的保護(hù)措施，但仍需小心對待，在存儲和運(yùn)輸中最好用金屬容器或者導(dǎo)電材料包裝，不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。組裝、調(diào)試時，工具、儀表、工作臺等均應(yīng)良好接地。要防止操作人員的靜電干擾造成的損壞，如不宜穿尼龍、化纖衣服，手或工具在接觸集成塊前最好先接一下地。對器件引線矯直彎曲或人工焊接時，使用的設(shè)備必須良好接地。

(4) 輸入信號的上升和下降時間不易過長，否則一方面容易造成虛假觸發(fā)而導(dǎo)致器件失去正常功能，另一方面還會造成大的損耗。對于74HC系列限于0.5us以內(nèi)。若不滿足此要求，需用施密特觸發(fā)器件進(jìn)行輸入整形。

(5)CMOS電路具有很高的輸入阻抗，致使器件易受外界干擾、沖擊和靜電擊穿，所以為了保護(hù)CMOS管的氧化層不被擊穿，一般在其內(nèi)部輸入端接有二極管保護(hù)電路，其中R約為1.5-2.5KΩ。輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的引入使器件的輸入阻抗有一定下降，但仍在108Ω以上。這樣也給電路的應(yīng)用帶來了一些限制：

(A)輸入電路的過流保護(hù)。CMOS電路輸入端的保護(hù)二極管，其導(dǎo)通時電流容限一般為1mA?在可能出現(xiàn)過大瞬態(tài)輸入電流(超過10mA)時，應(yīng)串接輸入保護(hù)電阻。例如，當(dāng)輸入端接的信號，其內(nèi)阻很小、或引線很長、或輸入電容較大時，在接通和關(guān)斷電源時，就容易產(chǎn)生較大的瞬態(tài)輸入電流，這時必須接輸入保護(hù)電阻，若VDD=10V，則取限流電阻為10KΩ即可。

(B) 輸入信號必須在VDD到VSS之間，以防二極管因正向偏置電流過大而燒壞。因此在工作或測試時，必須按照先接通電源后加入信號，先撤除信號后關(guān)電源的順序進(jìn)行操作。在安裝，改變連接，拔插時，必須切斷電源，以防元件受到極大的感應(yīng)或沖擊而損壞。

(C)由于保護(hù)電路吸收的瞬間能量有限，太大的瞬間信號和過高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用。所以焊接時電烙鐵必須可靠接地，以防漏電擊穿器件輸入端，一般使用時，可斷電后利用電烙鐵的余熱進(jìn)行焊接，并先焊其接地管腳。

(D)要防止用大電阻串入VDD或VSS端，以免在電路開關(guān)期間由于電阻上的壓降引起保護(hù)二極管瞬時導(dǎo)通而損壞器件。

4、CMOS的接口電路問題

(1)CMOS電路與運(yùn)放連接。當(dāng)和運(yùn)放連接時，若運(yùn)放采用雙電源，CMOS采用的是獨(dú)立的另一組電源，即采用如圖6所示電路，電路中，VD1、VD2為鉗位保護(hù)二極管，使CMOS輸入電壓處在10V與地之間。15KΩ的電阻既作為CMOS的限流電阻，又對二極管進(jìn)行限流保護(hù)。若運(yùn)放使用單電源，且與CMOS使用的電源一樣，則可直接相連。

(2)CMOS與TTL等其它電路的連接。在電路中常遇到TTL電路和CMOS電路混合使用的情況，由于這些電路相互之間的電源電壓和輸入、輸出電平及負(fù)載能力等參數(shù)不同，因此他們之間的連接必須通過電平轉(zhuǎn)換或電流轉(zhuǎn)換電路，使前級器件的輸出的邏輯電平滿足后級器件對輸入電平的要求，并不得對器件造成損壞。邏輯器件的接口電路主要應(yīng)注意電平匹配和輸出能力兩個問題，并與器件的電源電壓結(jié)合起來考慮。下面分兩種情況來說明：

(A)TTL到CMOS的連接。用TTL電路去驅(qū)動CMOS電路時，由于CMOS電路是電壓驅(qū)動器件，所需電流小，因此電流驅(qū)動能力不會有問題，主要是電壓驅(qū)動能力問題，

TT L電路輸出高電平的最小值為2.4V，而CMOS電路的輸入高電平一般高于3.5V，這就使二者的邏輯電平不能兼容。為此可采用圖7所示電路，在TTL的輸出端與電源之間接一個電阻R(上拉電阻)可將TTL的電平提高到3.5V以上。

若采用的是OC門驅(qū)動，則可采用如圖8所示電路。其中R為其外接電阻。R的取值一般在1-4.7KΩ。

(B) CMOS到TTL的連接。CMOS電路輸出邏輯電平與TTL電路的輸入電平可以兼容，但CMOS電路的驅(qū)動電流較小，不能夠直接驅(qū)動TTL電路。為此可采用CMOS/TTL專用接口電路，如CMOS緩沖器CC4049等，經(jīng)緩沖器之后的高電平輸出電流能滿足TTL電路的要求，低電平輸出電流可達(dá)4mA。實(shí)現(xiàn)CMOS電路與TTL電路的連接，如圖9所示。 需說明的時，CMOS與TTL電路的接口電路形式多種多樣，實(shí)用中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

5、輸出端的保護(hù)問題

(1)MOS器件輸出端既不允許和電源短接，也不允許和地短接，否則輸出級的MOS管就會因過流而損壞。

(2)在CMOS電路中除了三端輸出器件外，不允許兩個器件輸出端并接，因?yàn)椴煌钠骷?shù)不一致，有可能導(dǎo)致NMOS和PMOS器件同時導(dǎo)通，形成大電流。但為了增加電路的驅(qū)動能力，允許把同一芯片上的同類電路并聯(lián)使用。

(3)當(dāng)CMOS電路輸出端有較大的容性負(fù)載時，流過輸出管的沖擊電流較大，易造成電路失效。為此，必須在輸出端與負(fù)載電容間串聯(lián)一限流電阻，將瞬態(tài)沖擊電流限制在10mA以下。