CMOS集成电路设计综述

CMOSCMOS 集成电路设计综述集成电路设计综述 摘要 摘要 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物 半导体 电压控制的一种放大器件 是组成 CMOS 数字集成电路的基本单元 CMOS 集成电路是目前大规模 LSI 和超大规模 VLSI 集成电路中广泛应用的一 种电路结构 相对于传统的双极型 NMOS 和 PMOS 集成电路而言 其在功率消 耗 噪声抑制等方面具有明显的优势 关键词 关键词 CMOS 集成电路 优势 1 1 引引 言言 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物半 导体 电压控制的一种放大器件 是组成 CMOS 数字集成电路的基本单元 在计 算机领域 CMOS 常指保存计算机基本启动信息 如日期 时间 启动设置等 的芯片 有时人们会把 CMOS 和 BIOS 混称 其实 CMOS 是主板上的一块可读写的 RAM 芯片 是用来保存 BIOS 的硬件配置和用户对某些参数的设定 CMOS 可由主 板的电池供电 即使系统掉电 信息也不会丢失 CMOS ROM 本身只是一块存储 器 只有数据保存功能 而对 BIOS 中各项参数的设定要通过专门的程序 BIOS 设置程序一般都被厂商整合在芯片中 在开机时通过特定的按键就可进入 BIOS 设置程序 方便地对系统进行设置 因此 BIOS 设置有时也被叫做 CMOS 设置 1 1 国内外技术现状及发展趋势 目前 以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车 石油 钢铁为代表 的传统工业成为第一大产业 成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎 和雄厚基石 1999 年全球集成电路的销售额为 1250 亿美元 而以集成电路为核 心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界 GNP 的 3 现代经济发展的数据表 明 每 l 2 元的集成电路产值 带动了 10 元左右电子工业产值的形成 进而带动 了 100 元 GDP 的增长 目前 发达国家国民经济总产值增长部分的 65 与集成电 路相关 美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山 2001 年为 43 6 预 计未来 10 年内 世界集成电路销售额将以年平均 15 的速度增长 2010 年将达到 6000 8000 亿美元 作为当今世界经济竞争的焦点 拥有自主版权的集成电路已 日益成为经济发展的命脉 社会进步的基础 国际竞争的筹码和国家安全的保 障 集成电路的集成度和产品性能每 18 个月增加一倍 据专家预测 今后 20 年 左右 集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展 1 2 我国集成电路产业现状 我国集成电路产业起步于 20 世纪 60 年代 2001 年全国集成电路产量为 64 亿块 销售额 200 亿元人民币 2002 年 6 月 共有半导体企事业单位 不含材料 设备 651 家 其中芯片制造厂 46 家 封装 测试厂 108 家 设计公司 367 家 分 立期间厂商 130 家 从业人员 11 5 万人 设计能力 0 18 0 25 微米 700 万门 制造工艺为 8 英寸 0 18 0 25 微米 主流产品为 0 35 0 8 微米 与国外的主要差距 一是规模小 2000 年 国内生产的芯片销售额仅占世界 市场总额的 1 5 占国内市场的 20 二是档次低 主流产品加工技术比国外落 后两代 三是创新开发能力弱 设计 工艺 设备 材料 应用 市场的开发能 力均不十分理想 其结果是今天受制于人 明天后劲乏力 四是人才欠缺 总之 我国绝大多数电子产品仍处于流通过程中的下端 多数组装型企业扮 演着为国外集成电路厂商打工的角色 这种脆弱的规模经济模式 因其附加值极 低 致使诸多产量世界第一的产品并未给企业和国家带来可观的收益 反而使掌 握关键技术的竞争者通过集成电路打入中国市场 攫取了绝大部分的利润 2 2 CMOSCMOS 集成电路简介集成电路简介 2 1 CMOS 集成电路简介 早期的 CMOS 是一块单独的芯片 MC146818A DIP 封装 共有 64 个字节存 放系统信息 386 以后的微机一般将 MC146818A 芯片集成到其它的 IC 芯片中 如 82C206 PQFP 封装 586 以后主板上更是将 CMOS 与系统实时时钟和后 备电池集成到一块叫做 DALLDA DS1287 的芯片中 随着微机的发展 可设置参 数的增多 现在的 CMOS ROM 一般都有 128 字节及至 256 字节的容量 为保持兼 容性 各 BIOS 厂商都将自己的 BIOS 中关于 CMOS ROM 的前 64 字节内容的设置 统一与 MC146818A 的 CMOS ROM 格式一致 而在扩展出来的部分加入自己的特殊 设置 所以不同厂家的 BIOS 芯片一般不能互换 即使是能互换的 互换后也要 对 CMOS 信息重新设置以确保系统正常运行 在计算机领域 CMOS 常指保存计算机基本启动信息 如日期 时间 启动 设置等 的芯片 有时人们会把 CMOS 和 BIOS 混称 其实 CMOS 是 CPU 中的一块 只读的 ROM 芯片 是用来保存 BIOS 的硬件配置和用户对某些参数的设定 CMOS 可由主板的电池供电 即使系统掉电 信息也不会丢失 在今日 CMOS 制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件 尤其是 片幅规格较大的单眼数码相机 虽然在用途上与过去 CMOS 电路主要作为固件或 计算工具的用途非常不同 但基本上它仍然是采取 CMOS 的工艺 只是将纯粹逻 辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能 再透过芯片上的模数转换器 ADC 将获得的影像讯号转变为数码讯号输出 2 2 CMOS 集成电路的优势 CMOS 集成电路是目前大规模 LSI 和超大规模 VLSI 集成电路中广泛应用 的一种电路结构 相对于传统的双极型 NMOS 和 PMOS 集成电路而言 其在功 率消耗 噪声抑制等方面具有明显的优势 主要体现在功耗低 工作电压范围 宽 逻辑摆幅大 抗干扰能力强 输入阻抗高 温度稳定性能好 扇出能力强 抗辐射能力强 可控性好 接口方便等方面 3 3 CMOSCMOS 集成电路集成电路的工作原理的工作原理 3 1 CMOS 集成电路的工作的基本原理 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 如图 3 1 所示 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 Vdd Vo Vi Vss N G P S S 图 3 1 反相器单元 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 3 2 CMOS 集成电路应用常识 3 2 1 电路的极限范围 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 3 2 2 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 3 2 3 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 3 2 所示 R 的阻值约为几十欧姆至几十千欧姆 Vi Vo 图 3 2 输入端的保护法 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 3 2 4 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 如图 3 3 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 V Vdd CMOS电路 Vss C Rs 100uf 图 3 3 简单限流法 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 3 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 Vdd 0 Idd 寄生VS自索区 第二次击穿区 第一次击穿区 52515 图 3 4 击穿特性曲线 4 4 CMOSCMOS 集成电路的接口电路集成电路的接口电路 4 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 在图 4 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 Vi I IIIII IIIIII 6 18V Vdd VddVcc CMOSCC4049 TTL 5V Vo Vi VddVdd Vcc TTLCC4050CMOS 6 18V Vo a b 图 4 1 CMOS TTL 集成电路接口 4 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 连接电路如图 4 2 所示 I IIIII CMOSHTLCMOS 15V Vo Vi 图 4 2 CMOS HTL 集成接口电路 4 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 如图 4 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 IIIVo 5 2V Vee ECL Vss CMOS Vdd Vcc Vi 图 4 3 CMOS ECL 集成电路接口 4 4 CMOS NMOS 集成电路的接口 CMOS 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 4 所示 R 的取值一 般选用 2 100K I IIIII CMOSNMOSCMOS 5 12V Vo Vi 图 4 4 CMOS NMOS 集成接口电路 4 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 4 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 IIIVi VddVdd CMOS Vdd 10 12V Vo Vss PMOS 24V 图 4 5 CMOS PMOS 集成电路接口 4 6 CMOS 晶体三极管 VT 的接口 图 4 6 a 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 4 6 b 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 II Vdd VcVddVc R1 Vi R1 R2 VT1 VT2 RL 4 100KCMOS CMOS VT a b 图 4 6 CMOS 晶体三极管 VT 的接口 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 4 7 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 4 7 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 I Vss Vdd RL Vc 3 18V VS CMOS R Vi 图 4 7 CMOS 可控硅 VS 的接口 5 CMOSCMOS 集成电路使用注意事项集成电路使用注意事项 1 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 2 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 3 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 4 CMOS 集成电路的互换 在使用中有些 CMOS 集成电