Cmos集成电路概述

Cmos集成电路研究任文娟（西北师范大学）摘要：集成电路的设计与测试是当代计算机技术研究的主要问题之一。CMOS集成电路测试技术，受到人们的广泛关注。本文介绍了CMOS集成电路测试技术基本原理和关键问题，探讨了电流测试的研究进展及现状，并提出了该技术的研究方向。关键词：CMOS电路；电流测试；静态电流（I）；动态电流（I）DDQDDTcmos集成电路的发展绝大多数集成电路是用硅的半导体材料制作的，因此也称为硅集成电路，另有少量的集成电路是用半导体材料砷化镓制造的。集成电路可以按照不同的标准进行分类。如果根据功能分类，有数字集成电路和模拟集成电路之分；以组成集成电路的器件来划分，可分为双极型和cmos两大类。cmos集成电路因为具有功耗低、输入阻抗高、噪声容限高、电源电压范围宽、输出电压幅度与电源电压接近、对称的传输延迟和跃迁时间等优点，所以发展极为迅速。1963年，国际固体电路会议首先发表了制成emos集成电路的报告。1967年，RcA（美国无线电公司）开始试销cmos产品；20世纪70年代初正式推出比较完整的cmos标准数字电路产品CD4000系列，随后美国motorola（摩托罗拉）公司也发表了Mci45oo系列，两者合称为4000系列。CMOS集成电路的问世开创了微功耗电于学的先河。在20世纪70年代中期，4000A系列发展为4000B系列，工作电压范围从A系列的3一15v扩展为B系列的3—18v，而且B系列除少量器件为非缓冲输出外，大部分器件都是缓冲输出的，使它的参数和性能比A系列有较大的改进。1976年，由JEDEC（联合电子器件工程委员会）制定了统一规范，使B系列的功能和管脚排列标淮化，成为全世界各cmos集成电路制造厂家共同生产的标准系列。随着个人计算机及电子数据处理设备的普及和推广，特别是袖珍机和便携式电子设备的使用，对高速、低功耗器件的需求越来越迫切，这就促使这些仪器、设备的电源电压下降到3.3土o.3v的标准。对于集成电路而言，则要求在低压下保持甚至超过5V系列的性能。为了开发低压高速cmos数字集成电路，国家半导体、MOToROLA和东芝等公司组成一个集团，檀州仪器、飞利浦和日立组成另一个集团。在1992甲推出了LVQ系列后，接首又陆续开发出LVX、LVT、LVC、LV、LCX等多种低压高速CMOS系列。Cmos集成电路在标准逻辑系列方面得到了发展，在专用集成电路方面也有广泛的应用。随着cmos集成电路工艺、设计的不断完善和发展，越来越多的大规模和超大规模集成电路都以cmos工艺制造。高速CMOS集成电路原理和结构近年来,随着医疗电子、汽车电子系统和军事航天等领域中电子测试测量产品的发展,高性能CMOS运算放大器因其高增益、高共模抑制比、低失调电压及低温度漂移等优点，在电子测试测量产品中得到广泛应用。目前，国内外已报导的高性能CMOS运算放大器有：Liu和Yang利用负阻补偿技术研制的AB类运算放大器，开环增益58dB,相位裕度61度建立时间33.6ns;Yao和Stcyeart研制的140mW功耗，50dB增益的运放，虽然功耗比较低，但建立时间需要2700ns；NS生产的LMP7711系列可以在1.8V下提供95dB的共模抑制比和100dB的电源抑制比，但其增益带宽只有17MHz。可见，运算放大器的参数难以全部兼顾，各个参数之间存在折中关系。高速CMOS54HC/74Hc系列与4000系列各个器件的电路图完全相同，都是互补对称的电路结构，即逻辑器件基本上包含数量相同的P管和N管。氧化物隔离、较浅的结深、较短的沟道长度和较小的栅覆盖电容，使高速CMOS集成电路寄生电容比金属栅CMOS减小了一半左右。CMOS场效应管的漏源电流方程为：I=K栅宽（栅压-开启电压）2ds栅长式中K为电流增益.它与栅氧化层厚度成反比。高速CMos集成电路较低的开启电压（典型值为o.7v）、较薄的栅氧化层和较短的沟道长度，使它的跨导比金属栅cMos增长几乎4倍。再加上高速CMOs集成电路寄生电容比金属栅减小了一半左右，两者综合作用的效果使高速cMos的开关速度达到金属栅CMoS的8—10倍。高速CMOS54/74系列具有下列特点；•具有从简单的门电路至大规模集成电路的全系列产品•器件功能管脚与路TTL和CMOS4000系列相同；.工作温度范围宽，.无锁定效应；.全部输人端都有防静电的保护电路，.功耗低；•噪声容限高，.电源电压范围宽：Hc/HCU型为2—6V。1）输入电路CMOS管的栅极输入相当于漏电电流很小的电容器，如果栅极没有保护，这种输入端就可能被静电充电至向压，造成绝缘栅击穿，使器件永久破坏。因此在CMOS集成电路的每个输入端都建立了输入保护电路。CMOS管的输入电路如图1所示，它包括保护电路。图1输入电路2）输出电路在高速CMOS集成电路中有三种输出结构：推挽输出、3态输出和开阔N沟管输出。每一种都适用于标准输出器件或总线输出驱动器。高速CMOS集成电路的输出必须满足接口到CMOS输入端的电平要求和接口到双极型器件输入端的电流要求。3CMOS集成电路应用1）高性能CMOS采样保持电路的设计采样/保持电路是流水线结构A/D转换器的核心部分，它的性能决定整个A/D转换器的性能.最简单的采样/保持电路只需要一个MOS管开关和保持电容就可实现.但是,由于开关的电荷注入和时钟馈通效应[1],以及开关的非线性等非理想特性,这样的采样/保持电路很难达到较好的性能.随着采样时钟频率的提高,孔径时间不确定引入的高频非线性失真使MOS采样系统的线性度不断下降,传统MOS采样/保持电路结构，已无法满足高速高分辨率A/D转换器高线性度的要求;同时,MOS开关导通电阻造成的非线性误差,也是制约采样/保持电路线性度提高的关键因素.传统上,通常采用以下方法减小MOS管的非线性误差:采用低阈值电压晶体管的电路,栅压提高技术,以及开关自举技术等.但是,这些改进措施往往是以增加工艺制造成本、降低电路可靠性,或提高电路设计难度为代价的.图2开关电路这是一个双边信号开关，用它来代替采样电路中的开关，就得到采样保持电路。采样/保持电路的精度和速度主要取决于运算放大器的增益和速度.运算放大器必须具有高增益和高单位增益带宽的特点.它主要包括用来减小时钟馈通效应和电荷注入效应所带来的误差的全差分采样/保持放大器,和在不引入非线性失真的同时,减小了采样管的导通电阻和增加带宽的双边信号采样开关.该电路结构采用输出端直接反馈到输入端的方式,它不需要外加共模反馈电路.这样可以减小电路复杂程度,有效地降低功耗,并可获得更高的速度.2)CMOS传感器相机手机发展迅速,并呈现热销局面。相机手机于2001年面世。当时,人们对在手机上装上相机是否有必要还存有疑问。随着相机手机的逐渐普及和发展,手机传送的信息不仅仅是语言,而语言所不能表达的瞬间影像的传送也已成为不容否认的事实。20世纪70年代开发的CCD传感器以灵敏度高及像素多为优势,而CCD相机则是在拍摄“护照尺寸”的民用摄像机中显露出光彩。随着数码相机的普及,加速了摄像元件向多像素化和微细化方向发展。置于手机内的相机应具有低电压驱动,耗电少和小型化的特点。除CCD传感器外,CMOS传感器已成为科学家研究的焦点。但最初由于CMOS传感器在低照度时信噪比差而使人们敬而远之。002年10月,东芝公司研制出一种Dynas2tron新型CMOS传感器。该传感器在低照度时的噪声小,达到了与CCD传感器相同的光灵敏度。这种新型CMOS传感器可与CCD传感器媲美。CMOS传感器是由一个像素光电二极管和数种MOS晶体管构成。通过镜头入射的光在硅基板内进行光电转换而成为电荷,该电荷在读出晶体管的源极聚集,经读出晶体管传送至漏极,经放大晶体管放大信号,然后传送到垂直信号端,再经过垂直扫描和水平扫描而依次输出。CMOS传感器所具有的优点:(1)性能CCD传感器与CMOS传感器的最大不同点是:前者在基板内完成信号转换(见图3);而后者则要经过垂直扫描回路和水平扫描回路的开关传送给垂直信号端，因此CCD传感器的电流信号几乎完全被传输而无噪声产生，可获得很高的灵敏度;而CMOS传感器内置放大晶体管，由于这些晶体管的分散而产生噪声，使灵敏度下降，但可通过偏移控制噪声回路提高其性能，使产品化成为可能。(2)成本CCD传感器与逻辑回路不同,它需要特殊的工艺设备。与逻辑回路相比,其制造成本相对高一些。CMOS传感器和逻辑回路的工艺过程相同，因此在工艺流程方面要优于CCD传感器。（3）小型化CCD传感器是将转换信号用的寄存器和输出放大器集成于一块芯片上，因此时钟发生器、AD转换器和信号处理回路等就必须组装在其他芯片上。由于CMOS传感器和逻辑回路的制作工艺相同，而CCD传感器能将所有回路集成在一块芯片上，因此不需要很多的芯片就能很容易地使器件小型化，从而降低了制造成本。整个系统芯片化的摄像机如图5所示。据报道，将来也可将图像压缩处理回路JPEG）等各种处理回路集成在一块