CMOS集成电路基础知识

CMOS集成电路基础知识CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor一词的缩写。在业余电子制作中我们经常会用到它，这里系统、详细的介绍一些CMOS集成电路基础知识及使用注意事项。CMOS集成电路的性能及特点功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55~+125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45~+85℃。扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。抗辐射能力强CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。可控性好CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。接口方便因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。CMOS集成电路的工作原理下面我们通过CMOS集成电路中的一个最基本电路-反相器（其他复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成）入手，分析一下它的工作过程。利用一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管互补连接就构成了一个最基本的反相器单元电路如附图所示。图中VDD为正电源端，VSS为负电源端。电路设计采用正逻辑方法，即逻辑“1”为高电平，逻辑“0”为低电平。附图中，当输入电压VI为底电平“0”（VSS）时，N沟道MOS管的栅-源电压VGSN=0V（源极和衬底一起接VSS），由于是增强型管，所以管子截止，而P沟道MOS管的栅-源电压VGSN=VSS—VDD。若|VSS—VDD|>|VTP|（MOS管开启电压），则P沟道MOS管导通，所以输出电压V0为高电平“1”（VDD），实现了输入和输出的反相功能。当输入电压VI为底电平“1”（VDD）时，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）>VGSN，则N沟道MOS管导通，此时VGSN=0V，P沟道MOS管截止，所以输出电压V0为低电平“0”（VSS），与VI互为反相关系。由上述分析可知，当输入信号为“0”或“1”的稳定状态时，电路中的两个MOS管总有一个处于截止状态，使得VDD和VSS之间无低阻抗直流通路，因此静态功耗极小。这便是CMOS集成电路最主要的特点。CMOS集成电路应用常识电路的极限范围。表1列出了CMOS集成电路的一般参数，表2列出了CMOS集成电路的极限参数。CMOS集成电路在使用过程中是不允许在超过极限的条件下工作的。当电路在超过最大额定值条件下工作时，很容易造成电路损坏，或者使电路不能正常工作。表1CMOS集成电路（CC4000系列）的一般参数表参数名称符号单位电源电压VDD（V）参数最大值最小值静态功耗电流IDDuA50.25100.50151.00输入电流IIuA18±0.1输出低电平电流IOLmA50.51101.3153.4输出高电平电流IOHmA5-0.5110-1.315-3.4输入逻辑低点平电压VILV51.5103154输入逻辑高电平电压VIHV53.51071511输出逻辑低点平电压VOLV50.05100.05150.05表2CMOS集成电路（CC4000系列）的极限参数表参数名称符号极限值最高直流电源电压VDD（max）+18V最低直流电源电压VSS（min）-0.5V最高输入电压VI（max）VDD+0.5V最低输入电压VI（min）-0.5V最大直流输入电流II（max）±10mA储存温度范围TS-65℃~+100℃工作温度范围（1）陶瓷扁平封装TA-55℃~+100℃（2）陶瓷双列直插封装-55℃~+125℃（3）塑料双列直插封装-40℃~+85℃最大允许功耗（1）陶瓷扁平封装TA=-55℃~+100℃PM200mW（2）陶瓷双列直插封装TA=-55℃~+100℃TA=+100℃~+250℃500mW200mW（3）塑料双列直插封装TA=-55℃~+60℃TA=+60℃~+85℃500mW200mW外引线焊接温度（离封装根部1.59±0.97mm处焊接，设定焊接时间为10S）TL+265℃应当指出的是：CMOS集成电路虽然允许处于极限条件下工作，但此时对电源设备应采取稳压措施。这是因为当供电电源开启或关闭时，电源上脉冲波的幅度很可能超过极限值，会将电路中各MOS晶体管电极之间击穿。上述现象有时并不呈现电路失效或损坏现象，但有可能缩短电路的使用寿命，或者在芯片内部留下隐患，使电路的性能指标逐渐变劣。工作电压、极性及其正确选择。在使用CMOS集成电路时，工作电压的极性必须正确无误，如果颠倒错位，在电路的正负电源引出端或其他有关功能端上，只要出现大于0.5V的反极性电压，就会造成电路的永久失效。虽然CMOS集成电路的工作电压范围很宽，如CC4000系列电路在3~18V的电源电压范围内都能正常工作，当使用时应充分考虑以下几点：1.输出电压幅度的考虑。电路工作时，所选取的电源工作电压高低与电路输出电压幅度大小密切相关。由于CMOS集成电路输出电压幅度接近于电路的工作电压值，因此供给电路的正负工作电压范围可略大于电路要求输出的电压幅度。2.电路工作速度的考虑。CMOS集成电路的工作电压选择，直接影响电路的工作速度。对CMOS集成电路提出的工作速度或工作频率指标要求往往是选择电路工作电压的因素。如果降低CMOS集成电路的工作电压，必将降低电路的速度或频率指标。3.输入信号大小的考虑。工作电压将限制CMOS集成电路的输入信号的摆幅，对于CMOS集成电路来说，除非对流经电路输入端保护二极管的电流施加限流控制，输入电路的信号摆幅一般不能超过供给电压范围，否则将会导致电路的损坏。4.电路功耗的限制。CMOS集成电路所选取的工作电压愈高，则功耗就愈大。但由于CMOS集成电路功耗极小，所以在系统设计中，功耗并不是主要考虑的设计指标。输入和输出端使用规则。1.输入端的保护方法。在CMOS集成电路的使用中，要求输入信号幅度不能超过VDD—VSS。输入信号电流绝对值应小于10mA。如果输入端接有较大的电容C时，应加保护电阻R，如附图1所示。R的阻值约为几十欧姆至几十千欧姆。2.多余输入端的处置。CMOS集成电路多余输入端的处置比较简单，下面以或门及与门为例进行说明。如附图2所示，或门（或非门）的多余输入端应接至VSS端；与门（与非门）的多余输入端应接至VDD端。当电源稳定性差或外界干扰较大时，多余输入端一般不直接与电源（地）相连，而是通过一个电阻再与电源（地）相连，如图3所示，R的阻值约为几百千欧姆。另外，采用输入端并联的方法来处理多余的输入端也是可行的。但这种方法只能在电路工作速度不高，功耗不大的情况下使用。3.多余门的处置。CMOS集成电路在一般使用中，可将多余门的输入端接VDD或VSS，而输出端可悬空不管。当用CMOS集成电路来驱动较大输入电流的元器件时，可将多余门按逻辑功能并联使用。4.输出端的使用方法。在高速数字系统中，负载的输入电容将直接影响信号的传输速度，在这种情况下，CMOS集成电路的扇出系数一般取为10~20。此时，如果输出能力不足，通常的解决方法是选用驱动能力较强的缓冲器（如四同相/反相缓冲器CC4041），以增强输出端吸收电流的能力。寄生可控硅效应的防护措施。由于CMOS集成电路的互补特点，造成了在电路内部有一个寄生的可控硅（VS）效应。当CMOS集成电路受到某种意外因素激发，如电感、电火花，在电源上引起的噪声往往要超过CMOS集成电路的击穿电压（约25V）。这时，集成电路的VDD端和VSS端之间会出现一种低阻状态，电源电压突然降低，电流突然增加，如果电源没有限流措施，就会把电路内部连接VDD或VSS的铝线烧断，造成电路永久性损坏。如果电源有一定的限流措施（例如电源电流限在250mA以内），在出现大电流、低电压状态时，及时关断电源，就能保证电路安全无损。重新打开电源，电路仍能正常工作。简单的限流方法是用电阻和稳压管进行限流，如附图1所示。图中稳压管的击穿电压就是CMOS集成电路的工作电压，电阻用来限流，电容用来提供电路翻转时所需的瞬态电流。寄生VS造成损坏的电路用万用表电阻挡就可判断。正常电路，VDD—VSS之间有二极管特性：VS烧毁的电路，VDD~VSS之间呈开路状态。在系统中，被损坏的电路如果加交流信号，其输出电平范围很窄，既高电平不到VDD，低电平不到VSS，而且不能驱动负载。正常的CMOS集成电路用JT-1晶体管特性测试仪测量，能得到如图2所示的击穿特性曲线。测试方法：VDD接正电源，VSS接地，所有的输入端接VDD或VSS，测量集成电路的击穿特性。CMOS集成电路的接口电路在CMOS集成电路的应用过程中，不可避免地要遇到不同类别的器件间相互连接问题。当各器件的逻辑电平互不一致，不能正确接受和传递信息时，要使用接口电路。这里主要介绍两类接口。CMOS集成电路驱动其它器件。1．CMOS-TTL集成电路的接口由于TTL的低电平输入电流1.6mA，而CMOS的低电平输出电流只有1.5mA，因而一般都得加一个接口电路。这里介绍一种采用单电源的接口电路。在附图1中，门II起接口电路的作用，是CMOS集成电路缓冲/电平变换器，起缓冲驱动或逻辑电平变换的作用，具有较强的吸收电流的能力，可直接驱动TTL集成电路，因而连接简便。但是，使用时需要注意相位问题。电路中CC4049是六反相缓冲/变换器，而CC4050是六同相缓冲/变换器。2．CMOS-HTL集成电路的接口HTL集成电路是标准的工业集成电路，具有较高的抗干扰性能。由于CMOS集成电路的工作电压很宽，因而可与HTL集成电路共用+15V电源。此时，两者之间的VOH、VOL及IIH、IIL均互相满足，不必另设接口电路，直接相连即可，连接电路见附图2。3．CMOS-ECL集成电路的接口ECL集成电路是一种非饱和型的数字逻辑电路。其工作速度居所有逻辑电路之首。ECL采用负电源供电。CMOS集成电路驱动ECL集成电路可使用单电源工作，如附图3所示。ECL集成电路加-5.2V工作电压，CMOS的VDD接地，VSS接至-5.2V。以ECL集成电路CE10102为例，（CE10102内部