1、CMOS 集成电路的性能及特点CMOS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=15
2、V，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
3、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
4、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 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
5、 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。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=VSSVDD。若| VSSVDD | 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
6、入电压 VI 为底电平“1”（VDD）时，VGSN=（VDDVSS）。若（VDDVSS） 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。+ CMOS 集成电路应用常识 +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
7、。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。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
8、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 318V 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
9、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。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 VDDVSS。输入信号电流绝对值应小于 10
10、mA。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。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。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。
11、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 1020。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。 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
12、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
13、所需的瞬态电流。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，VDDVSS 之间有二极管特性：VS 烧毁的电路，VDDVSS 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。+ 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
14、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。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
15、换器。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。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.
16、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。4 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
17、 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 2100K。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 1012V 就能满足 PMOS 对输入电平的要求。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
18、，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
19、。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 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。 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=1018V 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
20、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 CMOS 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。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
21、 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。 9 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 9 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。其它器件驱动 CMOS 集成电路。1. TTL-CMOS 集成电路的接口利用集电极开路的 TTL 门电路可以方便灵活地实现 TTL 与 CMOS 集成电路的连接，其电路如图 1 所示。图 1 中的 RL 是
22、 TTL 集电极开路门的负载电阻，一般取值为几百 到几M。RL 取较大值便于减小集电极开路门的功耗，但在一定程度上影响电路的工作速度。一般情况下，RL 可取值 47?220K;中速、高速工作场合取 20K 以下较为合适。 2. ECL-CMOS 集成电路的接口ECL 集成电路驱动 CMOS 集成电路的连接方法如图 2 所示。它利用 MC1024（ECL）的输出去驱动晶体三极管 VT，再由 VT 去驱动 CMOS 集成电路。当 MC1024 的两个输入端都是-8V 时，VT 截止；若两个输入中的一个为-1.6V，在两个输出之间就有 1.6V 的电压，既可驱动晶体管 VT。3. 工业控制电路-CMOS 集成电路的接口图 3 所示接口电路，是利用分压电阻 R1、R2 将 24V 工业控制电路与 CMOS 集成电路连接。滤波电容 C 提高了 CMOS 集成电路的抗干扰能力，两个箝位二极管 VD1、VD2 用来保证输入信号被控制在 VDD 和 VSS 之间。
