CMOS集成電路的保護(hù)措施

1、cmos集成電路的保護(hù)措施cm0s集成電路具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如功耗低，噪聲容限大，抗干擾能力強(qiáng)，可以單電源驅(qū)動(dòng)， 電源應(yīng)用范圍廣，輸入阻抗高，價(jià)格低， 易于大規(guī)模集成等。因此它巳成為80年代集成電路領(lǐng)域中發(fā)展最快的品種。下面介紹一些具體應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)，一cmos電路輸入端的處理1輸入信號(hào)電壓范圍：輸入額定電壓不能施加在vss一03vinvd +03范圍之外的電壓， 即輸入低電平不得低于vss-03v，輸入高電平不得高于vd口+03v。2輸入電流的限制：每個(gè)輸入端輸入電流的絕對(duì)值應(yīng)限制在1oma以?xún)?nèi)，一般輸入電流以不超過(guò)1ma為佳這可以通過(guò)在輸入端加接一個(gè)限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。3輸入信號(hào)線(xiàn)的考慮；有

2、時(shí)為了消除信號(hào)的延遲和噪聲，信號(hào)線(xiàn)必須加接電容。在切斷電源開(kāi)關(guān)瞬間， 電容將通過(guò)輸入保護(hù)二極管和電源內(nèi)阻放電。當(dāng)電容容量較大時(shí)瞬時(shí)放電電流就會(huì)很大，有可能燒壞輸入保護(hù)二極管。因此一般當(dāng)電容容量小于500p時(shí)信號(hào)線(xiàn)可直接接入輸入端。當(dāng)電容大于500p時(shí)必須通過(guò)一個(gè)限流電阻與輸入端相接， 以防止輸入端的過(guò)電流損壞。另外，當(dāng)輸入信號(hào)線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)， 必然產(chǎn)生較大的分布電容和分布電感，很容易構(gòu)成lc振蕩。一旦產(chǎn)生振蕩負(fù)電壓時(shí)很有可能使輸入端保護(hù)二極管損壞。因此當(dāng)輸入信號(hào)線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)也要通過(guò)一個(gè)限流電阻接入輸入端。=、cmos電路多余輸入端的處理ttl等電路在忘記處理不使用的輸入端時(shí)只不過(guò)會(huì)引起錯(cuò)誤的動(dòng)作，而cm

3、os電路則會(huì)；起漏源電流上升，結(jié)溫升高，具體表現(xiàn)在 邏輯電平不正常，由于cmos電路輸入阻抗高， 因此容易接受外界噪聲干擾，使電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，容易使柵極感應(yīng)靜電，造成柵擊穿，使電路受到損壞， 因此cmos電路輸入端不允許懸空。多余的輸入端，可根據(jù)具體情況與v。 或gnd相連接，也可和其它的輸入端相連接。當(dāng)和v ?；騡nd相接時(shí)，v 和gnd也作為一個(gè)信號(hào)輸入，因此這部分電路也產(chǎn)生一定的動(dòng)作i當(dāng)和其它輸入端相接時(shí)，對(duì)接線(xiàn)及印刷線(xiàn)路設(shè)計(jì)而言比較簡(jiǎn)單，但相應(yīng)地門(mén)限電平變化時(shí)雜聲容限也會(huì)降低， 并且會(huì)增加輸入容量，使速度下低，因而應(yīng)視用途不同而加以注意。需特別指出的是整個(gè)系統(tǒng)的懸空。當(dāng)印刷板的插麈接觸

4、不良，或者插座拔去并長(zhǎng)時(shí)期擱置時(shí)常含使下一級(jí)電路輸入端漂浮而造成損壞。因此為了安全起見(jiàn)，可以在備輸入端上接入限流保擴(kuò)電阻， 如圖所示。蘭、靜電擊穿與預(yù)防措彘為了防止產(chǎn)生靜電擊穿， 通常在制造集成電路時(shí)在每個(gè)輸入端上都加有標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。然而有了保護(hù)弼絡(luò)并不等于絕對(duì)安全。一般保護(hù)網(wǎng)絡(luò)只能承受1kv左右的靜電和幾伏的干擾脈沖尖峰， 而人們?cè)谘杆俅┟撊嗽炖w維的服裝時(shí)由于衣服之間的激烈摩擦，會(huì)產(chǎn)生高迭幾萬(wàn)伏的靜電，這樣ig#g位如加在mos器件的柵極和襯底之間，則mos器件仍有可能被損壞。因此使用時(shí)仍應(yīng)特別拄意以下幾點(diǎn)l1運(yùn)輸和保存時(shí)用鋁箔或?qū)щ娦匀萜髅芊馄饋?lái)，絕不能存放在易產(chǎn)生靜電的泡沫塑料、塑料袋或

5、其它容器中。2工作時(shí)人體通過(guò)高阻接地，工作服，手套等應(yīng)由無(wú)靜電材料制成。3為防止電測(cè)量?jī)x器的來(lái)自交流電的漏電，備類(lèi)儀器均應(yīng)良好接地。4特別注意烙鐵外殼應(yīng)良好接地，或在焊接時(shí)拔去電源插頭， 以防漏電。5焊接印刷板部件時(shí)，cmos電路應(yīng)在最后安裝。裝好cmos電路的印刷板應(yīng)用短路插頭短路后存放， 或者存放在屏蔽的導(dǎo)電盒內(nèi)。6調(diào)試cmos電路時(shí)， 如信號(hào)諒和電路板是用兩組電源， 則開(kāi)機(jī)時(shí)先接通cmos裝置的電源，再接通信號(hào)源或其它電源。關(guān)機(jī)時(shí)則先關(guān)其它電豫， 最后關(guān)cmos裝置的電酥。7由于cmos電路是高阻抗器件，高濕度和表面污染會(huì)使器件變壞，與一般電子元件一樣應(yīng)盡量避免在高溫、高濕、粉塵條件下使

6、用。1cmos反相器工作原理cmos反相器由一個(gè)p溝道增強(qiáng)型mos管和一個(gè)n溝道增強(qiáng)型mos管串聯(lián)組成。通常p溝道管作為負(fù)載管，n溝道管作為輸入管。兩個(gè)mos管的開(kāi)啟電壓vgs(th)p0，通常為了保證正常工作，要求vdd|vgs(th)p|+vgs(th)n。coms反向器若輸入vi為低電平(如0v)，則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近vdd。若輸入vi為高電平(如vdd)，則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，輸出電壓接近0v。2cmos反相器的主要特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性cmos反相器的電壓傳輸特性曲線(xiàn)可分為五個(gè)工作區(qū)。工作區(qū)：由于輸入管截止，故vo=vdd，處于穩(wěn)定關(guān)態(tài)。工作區(qū)：pmos

7、和nmos均處于飽和狀態(tài)，特性曲線(xiàn)急劇變化，vi值等于閾值電壓vth。工作區(qū)：負(fù)載管截止，輸入管處于非飽和狀態(tài)，所以vo0v，處于穩(wěn)定的開(kāi)態(tài)。表1 cmos電路mos管的工作狀態(tài)表工作區(qū)輸入電壓vi范圍pmos管nmos管輸出0 vi vgs(th)n非飽和截止vo vddvgs(th)n vi vo+ vgs(th)p非飽和飽和vo+ vgs(th)p vi vo+ vgs(th)n飽和飽和vo+ vgs(th)n vi vdd+ vgs(th)p飽和非飽和vdd+ vgs(th)p vi vdd截止非飽和vo0cmos反相器的電流傳輸特性曲線(xiàn)，只在工作區(qū)時(shí)，由于負(fù)載管和輸入管都處于飽和導(dǎo)通

8、狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的電流。其余情況下，電流都極小。cmos反相器具有如下特點(diǎn)：(1) 靜態(tài)功耗極低。在穩(wěn)定時(shí)，cmos反相器工作在工作區(qū)和工作區(qū)，總有一個(gè)mos管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過(guò)的電流為極小的漏電流。(2) 抗干擾能力較強(qiáng)。由于其閾值電平近似為0.5vdd，輸入信號(hào)變化時(shí)，過(guò)渡變化陡峭，所以低電平噪聲容限和高電平噪聲容限近似相等，且隨電源電壓升高，抗干擾能力增強(qiáng)。(3) 電源利用率高。voh=vdd，同時(shí)由于閾值電壓隨vdd變化而變化，所以允許vdd有較寬的變化范圍，一般為+3+18v。(4) 輸入阻抗高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。輸入特性和輸出特性(1) 輸入特性為了保護(hù)柵極和襯底之間的柵氧化層不被

9、擊穿，cmos輸入端都加有保護(hù)電路。由于二極管的鉗位作用，使得mos管在正或負(fù)尖峰脈沖作用下不易發(fā)生損壞?？紤]輸入保護(hù)電路后，cmos反相器的輸入特性如圖5所示。 (2) 輸出特性a. 低電平輸出特性當(dāng)輸入vi為高電平時(shí)，負(fù)載管截止，輸入管導(dǎo)通，負(fù)載電流iol灌入輸入管，如圖3-5-6 所示。灌入的電流就是n溝道管的ids，輸出特性曲線(xiàn)如圖3-5-7 所示。輸出電阻的大小與vgsn(vi)有關(guān)，vi越大，輸出電阻越小，反相器帶負(fù)載能力越強(qiáng)。 電源特性cmos反相器的電源特性包含工作時(shí)的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗非常小，通?？珊雎圆挥?jì)。cmos反相器的功耗主要取決于動(dòng)態(tài)功耗，尤其是在工作頻率較

10、高時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。當(dāng)cmos反相器工作在第工作區(qū)時(shí)，將產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，從而產(chǎn)生瞬時(shí)導(dǎo)通功耗pt。此外，動(dòng)態(tài)功耗還包括在狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)負(fù)載電容充、放電所消耗的功耗。3cmos傳輸門(mén)cmos傳輸門(mén)是由p溝道和n溝道增強(qiáng)型mos管并聯(lián)互補(bǔ)組成。傳輸門(mén)傳輸高電平信號(hào)時(shí)，若控制信號(hào)c為有效電平，則傳輸門(mén)導(dǎo)通，電流從輸入端經(jīng)溝道流向輸出端，向負(fù)載電容cl充電，直至輸出電平與輸入電平相同，完成高電平的傳輸。若傳輸?shù)碗娖叫盘?hào)，電流從輸出端流向輸入端，負(fù)載電容cl經(jīng)傳輸門(mén)向輸入端放電，輸出端從高電平降為與輸入端相同的低電平，完成低電平傳輸。4cmos邏輯門(mén)電路cmos與非門(mén)、或非門(mén)當(dāng)輸入信號(hào)為

11、0時(shí)，與之相連的n溝道m(xù)os管截止，p溝道m(xù)os管導(dǎo)通；反之則n溝道m(xù)os管導(dǎo)通，p溝道m(xù)os管截止。(1) 輸出電阻受輸入端狀態(tài)的影響；(2) 當(dāng)輸入端數(shù)目增多時(shí)，輸出低電平也隨著相應(yīng)提高，使低電平噪聲容限降低。三態(tài)輸出cmos門(mén)是在普通門(mén)電路上，增加了控制端和控制電路構(gòu)成，一般有三種結(jié)構(gòu)形式。第一種形式：在反相器基礎(chǔ)上增加一對(duì)p溝道tp和n溝道tn mos管。當(dāng)控制端為1時(shí)，tp和tn同時(shí)截止，輸出呈高阻態(tài)；當(dāng)控制端為0時(shí)，tp和tn同時(shí)導(dǎo)通，反相器正常工作。該電路為低電平有效的三態(tài)輸出門(mén)。第二種形式和第三種形式：漏極開(kāi)路輸出門(mén)如圖18所示，其原理與ttl開(kāi)路輸出門(mén)相同。cmos電路以其低

12、功耗、高抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。其工作速度已與ttl電路不相上下，而在低功耗方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于ttl電路。目前國(guó)產(chǎn)cmos邏輯門(mén)有cc 4000系列和高速54hc/74hc系列，主要性能比較如下：系列電源電壓/v傳輸延遲/ns邊沿時(shí)間/ns最高工作頻率/mhzcc4000系列3189080354hc/74hc系列269625表2 cmos門(mén)性能比較cmos電路的鎖定效應(yīng)圖中的t1t6均為寄生三極管，是產(chǎn)生鎖定效應(yīng)的原因。寄生三極管等效電路中，t1和t2構(gòu)成了一個(gè)正反饋電路。在cmos電路中如果發(fā)生了t1、t2寄生三極管正反饋導(dǎo)電情況，稱(chēng)為鎖定效應(yīng)，或稱(chēng)為可控硅效應(yīng)。為保證cmos電路不產(chǎn)生鎖

13、定效應(yīng)，vi和vo必須滿(mǎn)足：cmos器件使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題(1) 輸入電路的靜電防護(hù)措施：運(yùn)輸時(shí)最好使用金屬屏蔽層作為包裝材料；組裝、調(diào)試時(shí)，儀器儀表、工作臺(tái)面及烙鐵等均應(yīng)有良好接地；不使用的多余輸入端不能懸空，以免拾取脈沖干擾。(2) 輸入端加過(guò)流保護(hù)措施：在可能出現(xiàn)大輸入電流的場(chǎng)合必須加過(guò)流保護(hù)措施。如在輸入端接有低電阻信號(hào)源時(shí)、在長(zhǎng)線(xiàn)接到輸入端時(shí)、在輸入端接有大電容時(shí)等，均應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻rp。(3) 防止cmos器件產(chǎn)生鎖定效應(yīng)措施：在輸入端和輸出端設(shè)置鉗位電路；在電源輸入端加去耦電路，在vdd輸入端與電源之間加限流電路，防止vdd端出現(xiàn)瞬態(tài)高壓；在vi輸入端與電源之間加限流電阻，使得即使發(fā)生了鎖定效應(yīng)，也能使t1、t2電源限制在一定范圍內(nèi)，不致于損壞器件。如果一個(gè)系統(tǒng)中由幾個(gè)電源分別供電時(shí)，各電源開(kāi)關(guān)順序必須合理，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先接通cmos電路的電源，再接入信號(hào)源或負(fù)載電路；關(guān)閉時(shí)，應(yīng)先切斷信號(hào)源和負(fù)載電路，再切斷cmos電源。各類(lèi)數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較表3 各類(lèi)數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)比較表電路類(lèi)型電源電壓/v傳輸延遲時(shí)間/ns靜態(tài)功耗/mw功耗延遲積/mw-ns直流噪聲容限輸出邏輯擺幅/vvnl/vvnh/vttlct54/74510