集成电路基础知识

精品文档 1欢迎下载 集成电路基础知识集成电路基础知识 集成电路 自本世纪初 真空电子管发明后 至今电子器件至今已经历了五代的发 展过程 集成电路 IC 的诞生 使电子技术出现了划时代的革命 它是现代 电子技术和计算机发展的基础 也是微电子技术发展的标志 集成电路规模的划分 目前在国际上尚无严格 确切的定义 在发展过程 中 人们逐渐形成一种似乎比较一致的划分意见 按芯片上所含逻辑门电路或 晶体管的个数作为划分标志 一般人们将单块芯片上包含 100 个元件或 10 个逻 辑门以下的集成电路称为小规模集成电路 而将元件数在 100 个以上 1000 个 以下 或逻辑门在 10 个以上 100 个以下的称为中规模集成电路 门数有 100 100 000 个元件的称大规模集成电路 LSI 门数超过 5000 个 或元件 数高于 10 万个的则称超大规模集成电路 VLSI 电路集成化的最初设想是在晶体管兴起不久的 1952 年 由英国科学家达默 提出的 他设想按照电子线路的要求 将一个线路所包含的晶体管和二极管 以及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上 从而构成一块具有预定功 能的电路 1958 年 美国德克萨斯仪器公司的一位工程师基尔比 按照上述设想 制 成了世界上第一块集成电路 他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器 这 个振荡器所包含的 4 个元器件已不需要用金属导线相连 硅棒本身既用为电子 元器件的材料 又构成使它们之间相连的通路 同年 另一家美国著名的仙童电子公司也宣称研制成功集成电路 由该公 司赫尔尼等人所发明的一整套制作微型晶体管的新工艺 平面工艺 被移 用到集成电路的制作中 使集成电路很快从实验室研制试验阶段转入工业生产 阶段 1959 年 德克萨斯仪器公司首先宣布建成世界上第一条集成电路生产线 1962 年 世界上出现了第一块集成电路正式商品 虽然这预示着第三代电子器 件已正式登上电子学舞台 不久 世界范围内掀起了集成电路的研制热潮 早期的典型硅芯片为 1 25 毫米见方 60 年代初 国际上出现的集成电路产品 每个硅片上的元件数在 100 个左右 1967 所已达到 1000 个晶体管 这标志着大规模集成阶段的开端 到 1976 年 发展到一个芯片上可集成 1 万多个晶体管 进入 80 年代以来 一 块硅片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经很普遍了 并且正在超大规模 集成电路发展 如今 已出现属于第五代的产品 在不到 50 平方毫米的硅芯片 上集成的晶体管数激增到 200 万只以上 精品文档 2欢迎下载 74 系列集成电路的分类及区别 74 系列集成电路大致可分为 6 大类 l 74 标准型 l 74LS 低功耗肖特基 l 74S 肖特基 l 74ALS 先进低功耗肖特基 l 74AS 先进肖特基 l 74F 高速 近年来还出现了高速 CMOS 电路的 74 系列 该系列可分为 3 大类 l HC 为 COMS 工作电平 l HCT 为 TTL 工作电平 可与 74LS 系列互换使用 l HCU 适用于无缓冲级的 CMOS 电路 这 9 种 74 系列产品 只要后边的标号相同 其逻辑功能和管脚排列就相同 根 据不同的条件和要求可选择不同类型的 74 系列产品 比如电路的供电电压为 3V 就应选择 74HC 系列的产品 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 精品文档 3欢迎下载 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 1011 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 精品文档 4欢迎下载 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 此主题相关图片如下 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 精品文档 5欢迎下载 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 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 精品文档 6欢迎下载 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 此主题相关图片如下 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 此主题相关图片如下 精品文档 7欢迎下载 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 精品文档 8欢迎下载 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 此主题相关图片如下 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 VS S 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 此主题相关图片如下 精品文档 9欢迎下载 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 此主题相关图片如下 精品文档 10欢迎下载 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 此主题相关图片如下 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 此主题相关图片如下 精品文档 11欢迎下载 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 100K 此主题相关图片如下 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 此主题相关图片如下 精品文档 12欢迎下载 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 此主题相关图片如下 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 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 R 1 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 410K 此主题相关图片如下 精品文档 13欢迎下载 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 CM OS 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 此主题相关图片如下 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