CMOS集成电路

CMOS集成电路基础知识作者：鞠中山 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2005-5-27 6:04:07 CMOS是Complementary Metal-Oxide Semiconductor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 l 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。 l 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。 l 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。 l 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。 l 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。 l 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℃。 l 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。 l 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。 l 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%。 l 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 l 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1 CMOS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 IDD uA 5 0.25 10 0.50 15 1.00 输入电流 II uA 18 ±0.1 输出低电平电流 IOL mA 5 0.51 10 1.3 15 3.4 输出高电平电流 IOH mA 5 -0.51 10 -1.3 15 -3.4 输入逻辑低点平电压 VIL V 5 1.5 10 3 15 4 输入逻辑高电平电压 VIH V 5 3.5 10 7 15 11 输出逻辑低点平电压 VOL V 5 0.05 10 0.05 15 0.05 表2 CMOS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℃ PM 200mW （2）陶瓷双列直插封装 TA=-55℃~+100℃ TA=+100℃~+250℃ 500mW; 200mW （3）塑料双列直插封装 TA=-55℃~+60℃ TA=+60℃~+85℃ 500mW; 200mW 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。 l 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。 l 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。 l 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。 l 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内部包括4个2输入或非门），流入ECL的输入高电平电流IIH为265uA，输入高电平电压VIH为-1.105V, 在单电源下CMOS电路可以满足ECL集成电路的输入需要。 4． CMOS-NMOS集成电路的接口 NMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。 NMOS集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5V为多。CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻R，如图4所示，R的取值一般选用2~100KΩ。 5． CMOS-PMOS集成电路的接口 PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式，一般CMOS的电源电压选择在10~12V就能满足PMOS对输入电平的要求。 CMOS-工业控制电路的接口 工业控制电路是工业控制系统中常用的电路，多采用24V工作电压。图6示出了CMOS电路与工业控制电路的连接方法。图中R1是晶体三极管VT的基极偏流电阻，VT的作用是把CMOS电路较低的逻辑高电平拉到24V，使两者构成良好的连接。 7． CMOS-晶体三极管VT的接口 图7a是CMOS集成电路驱动晶体三极管的接口。晶体三极管VT采用共发射极形式连接R1是VT的负载电阻，R1是VT的基极偏流电阻，R1的大小由公式R1=（VOH-VBH）β/IL决定。式中IL为负载电流。使用时应先根据VL和IL来选定VC，然后估算IB（IB=IL/β）是否在CMOS集成电路的驱动能力之内。如超出，可换用β值更高的晶体三极管或达林顿管，如图7b所示。晶体三极管VT按IL选定，IB=IL/（β1*β2），电阻R1的取值为：R1=（VOH -1.4）/(IB + 1.4/R2),式中R2是为改善电路的开关特性而引入的，其值一般取为4?10KΩ。 8． CMOS-发光二极管LED的接口 发光二极管（LED）具有高可靠性、低功耗、长寿命等多项重要特性。是与CMOS集成电路配合使用的最佳终端显示器件之一。发光效率较高的LED可由CMOS集成电路直接驱动，特别当VDD=10~18V时，绝大多数的LED能够有足够的亮度。应当说明，用CMOS集成电路驱动LED应串入限流电阻，因为当VDD=10V时，其输出短路电流可达20mA左右，若不加适当的限流保护，极易导致LED或CMOS集成电路损坏。图8a是CMOS集成电路输出低电平点亮LED的电路，电阻R可通过公式：R=（VDD-VOL-VLED）/ILED求出。图8b是CMOS集成电路输出高电平点亮LED的电路，电阻R的数值通过公式：R=（VOH-VLED）/ILED求出。式中VLED和分别是LED的工作电压和工作电流。 如果在低电源电压下工作的CMOS集成电路要驱动LED，或者使用负载能力较差的COOO系列CMOS集成电路驱动LED，均可能难以使LED发出足够明亮的光。解决办法是加一级晶体管驱动电路，以获得足够的驱动能力。 9． CMOS-可控硅VS的接口 一般中、小功率可控硅的触发电流约在10mA以下，故多数CMOS集成电路能够直接驱动可控硅。具体电路如图9所示。若需要更大的驱动电流，可改为CMOS缓冲器（例如CC4041）或缓冲/驱动器（例如CC40107），也可加一级晶体三极管电路。 l 其它器件驱动CMOS集成电路。 1. TTL-CMOS集成电路的接口 利用集电极开路的TTL门电路可以方便灵活地实现TTL与CMOS集成电路的连接，其电路如图1所示。图1中的RL是TTL集电极开路门的负载电阻，一般取值为几百Ω到几MΩ。RL取较大值便于减小集电极开路门的功耗，但在一定程度上影响电路的工作速度。一般情况下，RL可取值47?220KΩ;中速、高速工作场合取20KΩ以下较为合适。 2. ECL-CMOS集成电路的接口 ECL集成电路驱动CMOS集成电路的连接方法如图2所示。它利用MC1024（ECL）的输出去驱动晶体三极管VT，再由VT去驱动CMOS集成电路。 当MC1024的两个输入端都是-8V时，VT截止；若两个输入中的一个为-1.6V，在两个输出之间就有1.6V的电压，既可驱动晶体管VT。 3. 工业控制电路-CMOS集成电路的接口 图3所示接口电路，是利用分压电阻R1、R2将24V工业控制电路与CMOS集成电路连接。滤波电容C提高了CMOS集成电路的抗干扰能力，两个箝位二极管VD1、VD2用来保证输入信号被控制在VDD和VSS之间。 4. NMOS-CMOS集成电路的接口 NMOS集成电路驱动CMOS集成电路的接口比较简单。图4为其中的一种电路。实际使用时只考虑当晶体三极管VT截止时，它的集电极电压符合CMOS集成电路的输入高平电压这一条件。图中RC的取值可在2~10K范围内。由于VT的饱和压降一般都比教小，都能符合CMOS输入逻辑低电平的要求。 5. 机械开关触点-CMOS集成电路的接口 许多电子设备都要通过拨盘开关、按扭、板键、钮子开关和继电器等与外界的传感器或人工操作设备发生联系，但由于这些开关的触点都是机械的，所以在通断过程中出现瞬间抖动，这些抖动输入到CMOS集成电路中，就会干扰正常的逻辑关系。因此，在这类场合应用，需要设置防抖动接口。图5所示电路采用CMOS与非门来构成的R-S触发器防抖动接口。 6. HTL-CMOS集成电路的接口 HTL集成电路的电源电压为15V，其输出高电平VOH和输出低电平电压VOL完全适合于驱动VDD=15V的CMOS集成电路，因此两者之间不需另设接口电路，直接连接既可，电源电压也可通用，如图6所示。 7. PMOS-CMOS集成电路的接口 如图7所示的PMOS-CMOS集成电路的接口电路采用两种电源供电。这样连接后，尽管PMOS集成电路的输出电平对自身的VSS端来讲仍为负值，但对CMOS集成电路的VSS端而言却变成正值、或零、或略低于零。例如当CMOS用12V电源时，其输入电平为VIH=10V、VIL=0V，完全适合接口的需要。 图7a中R取值应使CMOS输入电流不大于50uA；图7b中取值应使PMOS的VOL为-9.5~-10V。 8. HCMOS-CMOS集成电路的接口 这种情况通常较少遇见。由于两者均是CMOS器件，故接口很容易，在CMOS与HCMOS同用一组电源时，直接连接便可。 9. 运算放大器-CMOS集成电路的接口 由于运算放大器电路采用±15V双电源供电的较多，其输出电压最大可达±13V左右。对于CMOS集成电路来讲，输入信号不能超过电源电压，因此需在CMOS的输入端设置负向钳位二极管予以保护。此外，如果CMOS的电源电压低于13V，则还应设置正向钳位二极管，用以防止CMOS的输入电路被超过VDD较多的输入正向电压而烧坏。考虑以上两个因素，我们可以得到如图8a所示的运算放大器驱动CMOS的接口电路。图中R1的作用是限制运算放大器的输入电流，避免器件因过流而损坏；VD1和VD2分别为正向和负向输入钳位二极管。 对于采用单电源供电的运算放大器，因其输出对地无负向成分，故CMOS的输入负向钳位二极管可不设。如果运算放大器与CMOS同用一组电源，则正向钳位二极管也可以省去。这样两者就可直接连接，如图9b所示。应注意，有的运算放大器不宜或不能在较低的电源电压下工作，倘若运算放大器的电源电压高于CMOS的电源电压，就仍需设置正向钳位二极管和限流电阻。 CMOS集成电路使用注意事项 l CMOS集成电路的安装。 为了避免由于静电感应而损坏电路，焊接CMOS集成电路所使用的电烙铁必需良好接地，焊接时间不得超过5秒。最好使用20~25W内热式电烙铁和502环氧助焊剂，必要时可使用插座。 在接通电源的情况下，不应装拆CMOS集成电路。凡是与CMOS集成电路接触的工序，使用的工作台及地板严禁铺垫高绝缘的板材（如橡胶板、玻璃板、有机玻璃、胶木板等），应在工作台上铺放严格接地的细钢丝网或铜丝网，并经常检查接地可靠性。 l CMOS集成电路的测试。 测试时所有CMOS集成电路的仪器、仪表均应良好接地。如果是低阻信号源，应保证输入信号不超过CMOS集成电路的电源电压范围（CXXX系列为7~15V，C4000系列为3~18V），既VSS≤Vi≤VDD。如果输入信号一定要超过CMOS集成电路的电源电压范围，则应在输入端加一个限流电阻，使输入电流不超过5mA，以避免CMOS集成电路内部的保护二极管烧毁。 若信号源和CMOS集成电路用两组电源，开机时，应先接同CMOS集成电路电源，后接通信号源电源。关机时，应先关信号源电源，后关CMOS集成电路电源。 l CMOS集成电路的保护措施。 因为CMOS集成电路输入阻抗极高，随机的静电积累很可能使电路引出端任意两端的电压超过MOS管栅击穿电压，从而引起电路损坏。所以，CMOS集成电路不用时应把电路的外引线全部短路，或放在导电的屏蔽容器内，以防被静电击穿。 l CMOS集成电路的互换。 在使用中有些CMOS集成电路是可以直接换用。如国产CC4000可与国外产品CD4000、MC14000系列直接代换。 对于那些管脚排列和封装形式完全一致，但电参数有所不同的CMOS集成电路，换用时要十分注意。如国产CC4000和CXXX中有些品种，它们的工作电压有所差异，CC4000为3~18V、CXXX为7~15V。换用时要考虑到电源供电及负载能力问题。另外，对于那些封装形式及管脚排列不同的CMOS集成电路，一般不能直接代换。如果需要换用，则应做一些相应的变换使两者功能相同的引出端一一对应.