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CMOS集成电路基础知识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318V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1031011，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=VSSVDD。若| VSSVDD | 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=（VDDVSS）。若（VDDVSS） 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1 CMOS集成电路（CC4000系列）的一般参数表表2 CMOS集成电路（CC4000系列）的极限参数表应当指出的是：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318V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VDDVSS。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3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4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5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1020。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，VDDVSS之间有二极管特性：VS烧毁的电路，VDDVSS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CMOS集成电路驱动其它器件1CMOS-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。2CMOS-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。3CMOS-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。4CMOS-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2100K。5CMOS-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1012V就能满足PMOS对输入电平的要求。6.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。7CMOS-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）/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/）是否在CMOS集成电路的驱动能力之内。如超出，可换用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/（1*2），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?10K。8CMOS-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=1018V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。9CMOS-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。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，一般取值为几百到几M。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?220K;中速、高速工作场合取20K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210K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2025W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。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715V，C4000系列为318V），既VSSViVDD。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。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。So，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。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318V、CXXX为715V。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.正确使用CMOS、NMOS器件需遵守的准则所有MOS集成电路（包括P沟道MOS，N沟道MOS，互补MOSCMOS集成电路）都有一层绝缘栅，以防止电压击穿。一般器件的绝缘栅氧化层的厚度大约是25nm、50nm、80nm三种。在集成电路高阻抗栅前面还有电阻二极管网络进行保护，虽然如此，器件内的保护网络还不足以免除对器件的静电损害（ESD），实验指出，在高电压放电时器件会失效，器件也可能为多次较低电压放电的累积而失效。按损伤的严重程度静电损害有多种形式，最严重的也是最容易发生的是输入端或输出端的完全破坏以至于与电源端VDD、GND短路或开路，器件完全丧失了原有的功能。稍次一等严重的损害是出现断续的失效或者是性能的退化，那就更难察觉。还有一些静电损害会使泄漏电流增加导致器件性能变坏。由于不可避免的短时间操作引起的高静电电压放电现像，例如人在打腊地板上走动时会引起高达4KV15KV的静电高压，此高压与环境湿度和表面的条件有关，因而在使用CMOS、NMOS器件时必须遵守下列预防准则：（1）不要超过手册上所列出的极限工作条件的限制。（2）器件上所有空闲的输入端必须接 VDD 或 VSS，并且要接触良好。（3）所有低阻抗设备（例如脉冲信号发生器等）在接到 CMOS 或 NMOS集成电路输入端以前必然让器件先接通电源，同样设备与器件断开后器件才能断开电源。（4）包含有 CMOS 和 NMOS 集成电路的印刷电路板仅仅是一个器件的延伸，同样需要遵守操作准则。从印刷电路板边缘的接插件直接联线到器件也能引起器件损伤，必须避免一般的塑料包装，印刷电路板接插件上的 CMOS 或 NMOS 集成电路的地址输入端或输出端应当串联一个电阻，由于这些串联电阻和输入电容的时间常数增加了延迟时间。这个电阻将会限制由于印刷电路板移动或与易产生静电的材料接触所产生的静电高压损伤。（5）所有 CMOS 和 NMOS 集成电路的储存和运输过程必须采用抗静电材料做成的容器，而不能按常规将器件插入塑料或放在普通塑料的托盘内，直到准备使用时才能从抗静电材料容器中取出来。（6）所有 CMOS 和 NMOS 集成电路应当放置在接地良好的工作台上，鉴于工作人员也能对工作台产出静电放电，所以工作人员在操作器件之前自身必须先接地，为此建议工作人员要用牢固的导电带将手腕或肘部与工作台表面连接良好。（7）尼龙或其它易产生静电的材料不允许与 CMOS 和 NMOS 集成电路接触。（8）在自动化操作过程中，由于器件的运动，传送带的运动和印刷电路板的运动可能会产生很高的静电压，因此要在车间内使用电离空气鼓风机和增湿机使室内相对湿度在 35% 以上，凡是能和集成电路接触的设备的顶盖、底部、侧面部分均要采用接地的金属或其它导电材料。（9）冷冻室要用二氧化碳制冷，并且要放置隔板，而器件必须放在导电材料的容器内。（10）需要扳直外引线和用手工焊接时，要采用手腕接地的措施，焊料罐也要接地。（11）波峰焊时要采用下面措施：a、波峰焊机的焊料罐和传送带系统必须接真地。b、工作台采用导电的顶盖遮盖，要接真地。c、工作人员必须按照预防准则执行。d、完成的工件要放到抗静电容器中，优先送到下一道工序去。（12）清洗印刷电路板要采用下列措施：a、蒸气去油剂和篮筐必须接真地，工作人员同样要接地。b、不准使用刷子和喷雾器清洗印数电路板。c、从清洗篮中拿出来的工件要立即放入蒸汽去油剂中。d、只有在工件接地良好或在工件上采用静电消除器后才允许使用高速空气和溶剂。（13）必须有生产线监督者的允许才能使用静电监测仪。（14）在通电状态时不准插入或拔出集成电路，绝对应当按下列程序操作：a、插上集成电路或印刷电路板后才通电。b、断电后才能拔出集成电路或印刷电路板。 （15）告诫使用 MOS 集成电路的人员，决不能让操作人员直接与电气地相连，为了安全的原因，操作人员与地气之间的电阻至少应有 100K。（16）操作人员使用棉织品手套而不要用尼龙手套或橡胶手套。（17）在工作区，禁止使用地毯。（18）除非绝对必要外，都不准工作人员触摸CMOS或NMOS器件的引线端子。制作CMOS集成电路需要注意的问题集成电路按晶体管的性质分为TTL和CMOS两大类，TTL以速度见长，CMOS以功耗低而著称，其中CMOS电路以其优良的特性成为目前应用最广泛的集成电路。在电子制作中使用CMOS集成电路时，除了认真阅读产品说明或有关资料，了解其引脚分布及极限参数外，还应注意以下几个问题：（1）电源问题1）CMOS集成电路的工作电压一般在，但当应用电路中有门电路的模拟应用（如脉冲振荡、线性放大）时，最低电压则不应低于。由于CMOS集成电路工作电压宽，故使用不稳压的电源电路CMOS集成电路也可以正常工作，但是工作在不同电源电压的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗是不相同的，在使用中一定要注意。2）CMOS集成电路的电源电压必须在规定范围内，不能超压，也不能反接。因为在制造过程中，自然形成许多寄生二极管，为反相器电路，在正常电压下，这些二极管皆处于反偏，对逻辑功能无影响，但是由于这些寄生二极管的存在，一旦电源电压过高或电压极性接反，就会使电路产生损坏。（2）驱动能力问题CMOS电路的驱动能力的提高，除选用驱动能力较强的缓冲器来完成之外，还可将同一个芯片几个同类电路并联起来提高，这时驱动能力提高到倍（为并联门的数量）。（3）输入端的问题1）多余输入端的处理。CMOS电路的输入端不允许悬空，因为悬空会使电位不定，破坏正常的逻辑关系。另外，悬空时输入阻抗高，易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而且也极易造成栅极感应静电而击穿。所以“与”门，“与非”门的多余输入端要接高电平，“或”门和“或非”门的多余输入端要接低电平。若电路的工作速度不高，功耗也不需特别考虑时，则可以将多余输入端与使用端并联。2）输入端接长导线时的保护。在应用中有时输入端需要接长的导线，而长输入线必然有较大的分布电容和分布电感，易形成振荡，特别当输入端一旦发生负电压，极易破坏CMOS中的保护二极管。其保护办法为在输入端处接一个电阻， VDD。3）输入端的静电防护。虽然各种CMOS输入端有抗静电的保护措施，但仍需小心对待，在存储和运输中最好用金属容器或者导电材料包装，不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。组装、调试时，工具、仪表、工作台等均应良好接地。要防止操作人员的静电干扰造成的损坏，如不宜穿尼龙、化纤衣服，手或工具在接触集成块前最好先接一下地。对器件引线矫直弯曲或人工焊接时，使用的设备必须良好接地。4）输入信号的上升和下降时间不易过长，否则一方面容易造成虚假触发而导致器件失去正常功能，另一方面还会造成大的损耗。对于系列限于以内。若不满足此要求，需用施密特触发器件进行输入整形.5）CMOS电路具有很高的输入阻抗，致使器件易受外界干扰、冲击和静电击穿，所以为了保护CMOS管的氧化层不被击穿，一般在其内部输入端接有二极管保护电路。其中约为。输入保护网络的引入使器件的输入阻抗有一定下降，但仍在以上。这样也给电路的应用带来了一些限制：输入电路的过流保护。CMOS电路输入端的保护二极管，其导通时电流容限一般为 在可能出现过大瞬态输入电流（超过）时，应串接输入保护电阻。例如，当输入端接的信号，其内阻很小、或引线很长、或输入电容较大时，在接通和关断电源时，就容易产生较大的瞬态输入电流，这时必须接输入保护电阻，若VDD，则取限流电阻为即可。输入信号必须在VDD到VSS之间，以防二极管因正向偏置电流过大而烧坏。因此在工作或测试时，必须按照先接通电源后加入信号，先撤除信号后关电源的顺序进行操作。在安装，改变连接，拔插时，必须切断电源，以防元件受到极大的感应或冲击而损坏。由于保护电路吸收的瞬间能量有限，太大的瞬间信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。所以焊接时电烙铁必须可靠接地，以防漏电击穿器件输入端，一般使用时，可断电后利用电烙铁的余热进行焊接，并先焊其接地管脚。要防止用大电阻串入VDD或VSS端，以免在电路开关期间由于电阻上的压降引起保护二极管瞬时导通而损坏器件。（4）CMOS的接口电路问题1）CMOS电路与运放连接当和运放连接时，若运放采用双电源，CMOS采用的是独立的另一组电源，即采用如图所示电路，电路中，、为钳位保护二极管，使CMOS输入电压处在与地之间。的电阻既作为CMOS的限流电阻，又对二极管进行限流保护。若运放使用单电源，且与CMOS使用的电源一样，则可直接相连。2）CMOS与TTL等其它电路的连接在电路中常遇到TTL电路和CMOS电路混合使用的情况，由于这些电路相互之间的电源电压和输入、输出电平及负载能力等参数不同，因此他们之间的连接必须通过电平转换或电流转换电路，使前级器件的输出的逻辑电平满足后级器件对输入电平的要求，并不得对器件造成损坏。逻辑器件的接口电路主要应注意电平匹配和输出能力两个问题，并与器件的电源电压结合起来考虑。下面分两种情况来说明：TTL到CMOS的连接。用TTL电路去驱动CMOS电路时，由于CMOS电路是电压驱动器件，所需电流小，因此电流驱动能力不会有问题，主要是电压驱动能力问题， 电路输出高电平的最小值为，而CMOS电路的输入高电平一般高于，这就使二者的逻辑电平不能兼容。为此可采用图所示电路，在TTL的输出端与电源之间接一个电阻（上拉电阻）可将TTL的电平提高到以上。 若采用的是门驱动，则可采用如图所示电路。其中为其外接电阻。的取值一般在。CMOS到TTL的连接。CMOS电路输出逻辑电平与TTL电路的输入电平可以兼容，但CMOS电路的驱动电流较小，不能够直接驱动TTL电路。为此可采用CMOSTTL专用接口电路，如CMOS缓冲器等，经缓冲器之后的高电平输出电流能满足TTL电路的要求，低电平输出电流可达。实现CMOS电路与TTL电路的连接，如图所示。 需说明的时，CMOS与TTL电路的接口电路形式多种多样，实用中应根据具体情况进行选择。（5）输出端的保护问题1）MOS器件输出端既不允许和电源短接，也不允许和地短接，否则输出级的MOS管就会因过流而损坏。2）在CMOS电路中除了三端输出器件外，不允许两个器件输出端并接，因为不同的器件参数不一致，有可能导致MOS和MOS器件同时导通，形成大电流。但为了增加电路的驱动能力，允许把同一芯片上的同类电路并联使用。3）当CMOS电路输出端有较大的容性负载时，流过输出管的冲击电流较大，易造成电路失效。为此，必须在输出端与负载电容间串联一限流电阻，将瞬态冲击电流限制在以下。使用TTL集成电路与CMOS集成电路的注意事项 (1)使用TTL集成电路注意事项TTL集成电路的电源电压不能高于5.5V使用，不能将电源与地颠倒错接，否则将会因为过大电流而造成器件损坏。电路的各输入端不能直接与高于5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源能提供较大的电流，导致器件过热而烧坏。除三态和集电极开路的电路外，输出端不允许并联使用。如果将 图T306双列直插集电极开路的门电路输出端并联使用而使电路具有线与功能时，应在其输出端加一个预先计算好的上拉负载电阻到VCC端。输出端不允许与电源或地短路。否则可能造成器件损坏。但可以通过电阻与地相连，提高输出电平。在电源接通时，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击可能会造成其永久性损坏。多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平，并不影响与非门的逻辑功能，但悬空容易受干扰，有时会造成电路的误动作，在时序电路中表现更为明显。因此，多余输入端一般不采用悬空办法，而是根据需要处理。例如：与门、与非门的多余输入端可直接接到VCC上；也可将不同的输入端通过一个公用电阻（几千欧）连到VCC上；或将多余的输入端和使用端并联。不用的或门和或非门等器件的所有输入端接地，也可将它们的输出端连到不使用的与门输入端上。如图T307所示。对触发器来说，不使用的输入端不能悬空，应根据逻辑功能接人电平。输入端连线应尽量短，这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线的延迟时间。一般不允许将触发器的输出直接驱动指示灯、电感负载、长线传输，需要时必须加缓冲门。（2）使用CMOS电路的注意事项CMOS集成电路由于输入电阻很高，因此极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿，生产CMOS时，在输入端都要加上标准保护电路，但这并不能保证绝对安全，因此使用CMOS集成电路时，必须采取以下预防措施。存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，也可以用金属箔将引脚短路。CMOS集成电路可以在很宽的电源电压范围内提供正常的逻辑功能，但电源的上限电压（即使是瞬态电压）不得超过电路允许极限值、电源的下限电压（即使是瞬态电压）不得低于系统工作所必需的电源电压最低值Vmin，更不得低于VSS。焊接CMOS集成电路时，一般用20内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地线。也可以利用电烙铁断电后的余热快速焊接。禁止在电路通电的情况下焊接。为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须处在VDD 和VSS之间，即VSS1VDD。调试CMOS电路时，如果信号电源和电路板用两组电源，则刚开机时应先接通电路板电源，后开信号源电源。关机时则应先关信号源电源，后断电路板电源。即在CMOS本身还没有接通电源的情况下，不允许有输入信号输入。 多余输入端绝对不能悬空。否则不但容易受外界噪声干扰，而且输入电位不定，破坏了正常的逻辑关系，也消耗不少的功率。因此，应根据电路的逻辑功能需要分别情况加以处理。例如：与门和与非门的多余输入端应接到VDD或高电平；或门和或非门的多余输入端应接到VSS或低电平；如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功耗时，也可以将多余的输入端和使用端并联。如图T308所示。 以上所说的多余输入端，包括没有被使用但已接通电源的CMOS电路所有输入端。例如，一片集成电路上有4个与门，电路中只用其中一个，其它三个门的所有输入端必须按多余输入端处理。输入端连接长线时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡，可能使输入保护二极管损坏，因此必须在输入端串接一个1020k的保护电阻R，如图T309所示。CMOS电路装在印刷电路板上时，印刷电路板上总有输入端，当电路从机器中拔出时，输入端必然出现悬空，所以应在各输入端上接入限流保护电阻，如图T309所示。如果要在印刷电路板上安装CMOS集成电路，则必须在与它有关的其它元件安装之后再装CMOS电路，避免CMOS器件输入端悬空。插拔电路板电源插头时，应该注意先切断电源，防止在插拔过程中烧坏CMOS的输入端保护二极管。TTL与CMOS集成电路目前应用最广泛的数字电路是TTL电路和CMOS电路。1、TTL电路TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。根据应用领域的不同，它分为54系列和74系列，前者为军品，一般工业设备和消费类电子产品多用后者。74系列数字集成电路是国际上通用的标准电路。其品种分为六大类：74（标准）、74S（肖特基）、74LS（低功耗肖特基）、74AS（先进肖特基）、74ALS（先进低功耗肖特基）、74F（高速）、其逻辑功能完全相同。2、 CMOS电路MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。其品种包括4000系列的CMOS电路以及74系列的高速CMOS电路。其中74系列的高速CMOS电路又分为三大类：HC为CMOS工作电平；HCT为TTL工作电平（它可与74LS系列互换使用）；HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。74系列高速CMOS电路的逻辑功能和引脚排列与相应的74LS系列的品种相同，工作速度也相当高，功耗大为降低。74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS，74HC，74HCT这三种 输入电平 输出电平 74LS TTL电平 TTL电平 74HC COMS电平 COMS电平 74HCT TTL电平 COMS电平另外，随着推出BiCMOS集成电路，它综合了双极和MOS集成电路的优点，普通双极型门电路的长处正在逐渐消失，一些曾经占主导地位的TTL系列产品正在逐渐退出市场。CMOS门电路不断改进工艺，正朝着高速、低耗、大驱动能力、低电源电压的方向发展。BiCMOS集成电路的输入门电路采用CMOS工艺，其输出端采用双极型推拉式输出方式，既具有CMOS的优势，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。3、 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318V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及电源低电位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1031011，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。TTLTransistor-Transistor Logic 三极管三极管逻辑MOSMetal-Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体晶体管CMOSComplementary Metal-Oxide Semiconductor互补型金属氧化物半导体晶体管Q：为什么BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道为什么。 主要是受迁移率的影响。以NPN管和NMOS为例，BJT中的迁移率是体迁移率，大约为1350cm2/vs。NMOS中是半导体表面迁移率，大约在400-600cm2/vs。所以BJT的跨导要高于MOS的，速度快于MOS。这也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。 NPN比PNP快也是因为载流子迁移率不同，NPN中的基区少子是电子，迁移率大（1350左右）；PNP的基