CMOS电路入门指导.doc

CMOS集成电路1 MOS/CMOS集成电路 2 CMOS集成电路的性能及特点 3 CMOS集成电路的工作原理 4 制作CMOS集成电路需要注意的问题 5 CMOS集成电路输入和输出端使用规则 6 CMOS集成电路的接口电路 7 正确使用CMOS、NMOS器件需遵守的准则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。CMOS电路使用时需要注意的事项集成电路可分为TTL和MOS电路(主要以CMOS为主)两种。TTL以高速度见长，MOS电路则以低功耗著称。使用CMOS电路时，除了要认真阅读产品说明书或有关资料，了解其引脚分布情况及极限参数之外，还应注意以下问题：(1)在安装电路、改变电路连接、插拔CMOS器件时，必须切断电源，否则CMOS器件很容易受到极大的感应或电冲击而损坏。(2)电源问题。CMOS集成电路的工作电源电压一般在318V之间，但当系统中有门电路的模拟应用(如脉冲振荡、线性放大)时，最低工作电压则不应低于4.5V。由于工作电压范围宽，故使用不稳压的电源电路也可以工作。CMOS有微功耗的特点，所以特别适用于电池做电源或备用电源，其电路如图1所示。正常工作时，VD1导通，VD2截止，由VA供电。一旦VA不供电，则VD2迅速导通，由VB进行供电。国产C000系列CMOS电路的电源电压允许在715V范围内选择。工作在不同电源电压下的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗也会不同，在使用中应注意。(3)驱动能力问题。CMOS电路的驱动能力，除选用驱动能力较强的大缓冲器来提高之外，还可以将同一个芯片几个同类电路并接起来提高，这时驱动能力提高到N倍(N为并联门电路的数量)。(4)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，而且也极易使栅极感应静电造成击穿。所以，对于“与”门，“与非”门的多余端接高电平，对于“或”门、“或非”门的多余端接低电平。如果电路的工作速度不高，功耗也不需要特别考虑，则可采用多余的输入端和使用端并用的方法加以解决。(5)输入端的电流不能超过1mA(极限值为10mA)，如果不能保证这一点，必须在输入端加适当的电阻进行限流保护。(6)输入信号不可大于VDD或小于VSS，否则输入保护二极管会因正向偏置而引起大电流。基于这一点，在工作或测试时，必须按照先接通电源后由加入信号，先撤除信号后再关闭电源顺序进行操作。(7)输入信号的上升或下降时间不宜过长，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4000B系列，上升或下降时间限于15s以内；对于74HC系列限于0.5s以内。如果不满足这个要求，必须使用史密特触发器件输入整形。(8)输入端接长线时的保护问题。在CMOS电路的输入端与机械接点连接以及其它特殊应用情况下，输入端往往需要接入长线，长输入线必然有较大的分布电容和分布电感，很容易形成LC振荡。特别当输入端一旦发生负电压，容易破坏CMOS中的保护二极管。其保护方法是在输入端串接一个电阻R2，如图2所示，R2=VDD/1mA。(9)CMOS的接口电路问题。当和运放接口时，如果运放采用双电源，CMOS采用的是独立的另一组电源，则要采用如图3所示的连接方式。在电路中，VD1、VD2作箝位保护，使CMOS输入电压处在10V与地之间。15k的电阻既作为CMOS的限流电阻，又对二极管进行限流保护。如果运放使用单电源，且与CMOS使用的电源一样，则可直接连接。总之，集成电路在使用过程中，常常涉及到CMOS电路和TTL等其它电路之间的连接问题。由于这些电路相互之间的电源电压和输入、输出电平及电流不相同，因此它们之间的连接必须通过电平转换或电流转换电路，使前级器件的输出电流大于后级器件对输入电流的要求，前级器件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，要和器件的电源电压结合起来考虑。(10)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，所以在其内部输入端接有二极管保护电路，如图4所示。其中R约为1.52.5k。输入保护网络的引入，使器件的输入阻抗有一定的下降，但仍达到108以上。由于保护电路吸收的瞬变能量有限，太大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。在焊接CMOS管时，电烙铁必须可靠接地，以防电烙铁漏电击穿器件输入端。一般可利用电烙铁断电后的余热焊接，并先焊接其接地脚。(11)防止用大电阻串入VDD和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。(12)CMOS器件输出端不允许直接和VDD或VSS连接，否则将导致器件损坏。除三态输出器件外，不允许两个器件并接成逻辑状态，因为不同的器件参数不一致，有可能导致NMOS和PMOS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。(13)对于CMOS电路，如果输入电路中没有一定的抗静电措施，很容易造成电路的毁灭性破坏。虽然各种CMOS输入端有抗静电的保护措施，但仍须小心对待在包装、储存、运输等环节中可能产生的静电问题，可采取多种措施，诸如工作台面有良好的导电性，并且可靠接地。应放在抗静电的材料中储存和运输CMOS集成电路。工作人员不宜穿尼龙、化纤衣服，不穿硬塑料底的鞋子，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，使用的设备必须接地。逻辑电平简介1，TTL电平： 输出高电平2.4V,输出低电平=2.0V，输入低电平=0.8V，噪声容限是0.4V。 2，CMOS电平： 1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。 3，电平转换电路： 因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl5vcmos3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。哈哈 4，OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。 5，TTL和COMS电路比较： 1）TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。 2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。 COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。 COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。 3）COMS电路的锁定效应： COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。 防御措施： 1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。 2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。 3）在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。 4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS 电路的电源。 6，COMS电路的使用注意事项 1）COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。 2）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。 3）当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。 4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。 5）COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。 7，TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）： 1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。 2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时， 它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。 8，TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。 OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开