CMOS集成電路的保護措施CM0S集成電路具有一系列的優(yōu)點，如功耗低，噪聲容限大，抗干擾能力強，可以單電源驅動，電源應用范圍廣，輸入阻抗高，價格低，易于大規(guī)模集成等。因此它巳成為80年代集成電路領域中發(fā)展最快的品種。下面介紹一些具體應用時的注意事項，一?CMOS電路輸入端的處理輸入信號電壓范圍：輸入額定電壓不能施加在Vss—0.3WVinWVD+0.3范圍之外的電壓，即輸入低電平不得低于Vss-0.3V，輸入高電平不得高于VD口+0.3V。輸入電流的限制：每個輸入端輸入電流的絕對值應限制在1OmA以內，一般輸入電流以不超過1mA為佳'這可以通過在輸入端加接一個限流電阻來實現(xiàn)。輸入信號線的考慮；有時為了消除信號的延遲和噪聲，信號線必須加接電容。在切斷電源開關瞬間，電容將通過輸入保護二極管和電源內阻放電。當電容容量較大時瞬時放電電流就會很大，有可能燒壞輸入保護二極管。因此一般當電容容量小于500P時信號線可直接接入輸入端。當電容大于500P時必須通過一個限流電阻與輸入端相接，以防止輸入端的過電流損壞。另外，當輸入信號線較長時，必然產(chǎn)生較大的分布電容和分布電感，很容易構成LC振蕩。一旦產(chǎn)生振蕩負電壓時很有可能使輸入端保護二極管損壞。因此當輸入信號線較長時也要通過一個限流電阻接入輸入端。二、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只不過會引起錯誤的動作，而cMOS電路則會；｝起漏源電流上升，結溫升高，具體表現(xiàn)在①邏輯電平不正常，③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)生誤動作，③容易使柵極感應靜電，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?；騁ND相連接，也可和其它的輸入端相連接。當和V?；騁ND相接時，V和GND也作為一個信號輸入，因此這部分電路也產(chǎn)生一定的動作I當和其它輸入端相接時，對接線及印刷線路設計而言比較簡單，但相應地門限電平變化時雜聲容限也會降低，并且會增加輸入容量，使速度下低，因而應視用途不同而加以注意。需特別指出的是整個系統(tǒng)的懸空。當印刷板的插麈接觸不良，或者插座拔去并長時期擱置時常含使下一級電路輸入端漂浮而造成損壞。因此為了安全起見，可以在備輸入端上接入限流保擴電阻，如圖所示。蘭、靜電擊穿與預防措彘為了防止產(chǎn)生靜電擊穿，通常在制造集成電路時在每個輸入端上都加有標準保護網(wǎng)絡。然而有了保護弼絡并不等于絕對安全。一般保護網(wǎng)絡只能承受1KV左右的靜電和幾伏的干擾脈沖尖峰，而人們在迅速穿脫人造纖維的服裝時由于衣服之間的激烈摩擦，會產(chǎn)生高迭幾萬伏的靜電，這樣i~g#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。因此使用時仍應特別拄意以下幾點l運輸和保存時用鋁箔或導電性容器密封起來，絕不能存放在易產(chǎn)生靜電的泡沫塑料、塑料袋或其它容器中。工作時人體通過高阻接地，工作服，手套等應由無靜電材料制成。為防止電測量儀器的來自交流電的漏電，備類儀器均應良好接地。4.特別注意烙鐵外殼應良好接地，或在焊接時拔去電源插頭，以防漏電。焊接印刷板部件時，CMOS電路應在最后安裝。裝好CMOS電路的印刷板應用短路插頭短路后存放，或者存放在屏蔽的導電盒內。調試CMOS電路時，如信號諒和電路板是用兩組電源，則開機時先接通CMOS裝置的電源，再接通信號源或其它電源。關機時則先關其它電豫，最后關CMOS裝置的電酥。由于CMOS電路是高阻抗器件，高濕度和表面污染會使器件變壞，與一般電子元件一樣應盡量避免在高溫、高濕、粉塵條件下使用。1CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一個P溝道增強型MOS管和一個N溝道增強型MOS管串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負載管，N溝道管作為輸入管。兩個MOS管的開啟電壓VGS(th)P<0，VGS(th)N>0，通常為了保證正常工作，要求VDD>|VGS(th)P|+VGS(th)N。~o\\Tl山?！?IToCOMS反向器若輸入vI為低電平(如0V)，則負載管導通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入vI為高電平(如VDD)，則輸入管導通，負載管截止，輸出電壓接近0V。2CMOS反相器的主要特性1.電壓傳輸特性和電流傳輸特性ITTDITVV廠GSMh)N7^)DDV]'dd+「GS(i1l)PCMOS反相器的電壓傳輸特性曲線可分為五個工作區(qū)。工作區(qū)I：由于輸入管截止，故vO=VDD，處于穩(wěn)定關態(tài)。工作區(qū)III：PMOS和NMOS均處于飽和狀態(tài)，特性曲線急劇變化，vI值等于閾值電壓Vth。工作區(qū)V：負載管截止，輸入管處于非飽和狀態(tài)，所以vO^OV，處于穩(wěn)定的開態(tài)。表1CMOS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IOWvIVVGS(th)N非飽和截止vO=VDDIIVGS(th)NWvIVvO+VGS(th)P非飽和飽和IIIvO+VGS(th)PWvIVvO+VGS(th)N飽和飽和WvO+VGS(th)NWvIVVDD+VGS(th)P飽和非飽和VVDD+VGS(th)PWvIWVDD截止非飽和vO^OCMOS反相器的電流傳輸特性曲線，只在工作區(qū)III時，由于負載管和輸入管都處于飽和導通狀態(tài)，會產(chǎn)生一個較大的電流。其余情況下，電流都極小。.innJT!!f:小―IIVVA：：：v:iIf11”」GS啊Nfth/，DDVfJDD+】G$(WP3CMOS反相器電流傳輸特性CMOS反相器具有如下特點:靜態(tài)功耗極低。在穩(wěn)定時，CMOS反相器工作在工作區(qū)1和工作區(qū)V，總有一個MOS管處于截止狀態(tài)，流過的電流為極小的漏電流?？垢蓴_能力較強。由于其閾值電平近似為0.5VDD，輸入信號變化時，過渡變化陡峭，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。電源利用率高。VOH二VDD，同時由于閾值電壓隨VDD變化而變化，所以允許VDD有較寬的變化范圍，一般為+3?+18V。輸入阻抗高，帶負載能力強。輸入特性和輸出特性輸入特性為了保護柵極和襯底之間的柵氧化層不被擊穿，CMOS輸入端都加有保護電路。由于二極管的鉗位作用，使得MOS管在正或負尖峰脈沖作用下不易發(fā)生損壞?？紤]輸入保護電路后，CMOS反相器的輸入特性如圖5所示。圖4CMOS輸入保護電路圖5CMOS反相器輸入特性⑵輸出特性a.低電平輸出特性

a.低電平輸出特性當輸入VI為高電平時，負載管截止，輸入管導通，負載電流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，輸出特性曲線如圖3-5-7所示。反相器帶負載能輸出電阻的大小與vGSN(vI)有關，vI越大，輸出電阻越小，力越強。反相器帶負載能圖6輸出低電平等效電路七那）—IOL（VDSN）O圖7輸出低電平時輸出特性

i'(ranTp"■'lat削!1□ffL瀚出高ft平習幫死路/ii.i-PgVHUJ'當輸入r,為低電平時，負載曾導通.輸入育截止，灸裁龜流是拉電流j如圖358所床?輸出電壓1mi-rr[}_,\UP-[立電流介皿即為如「，/ii.i-PgVHUJ'由曲線可見t|*l；Sll2S大i員載富流的增煙使f叩下降越小.帶拉電憤負裁能力就越強.電源特性CMOS反相器的電源特性包含工作時的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗非常小，通?？珊雎圆挥?。CMOS反相器的功耗主要取決于動態(tài)功耗，尤其是在工作頻率較高時，動態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。當CMOS反相器工作在第111工作區(qū)時，將產(chǎn)生瞬時大電流，從而產(chǎn)生瞬時導通功耗PT。此外，動態(tài)功耗還包括在狀態(tài)發(fā)生變化時，對負載電容充、放電所消耗的功耗。3CMOS傳輸門CMOS傳輸門是由P溝道和N溝道增強型MOS管并聯(lián)互補組成。當—心，CF扁時，兩個MOsWgPKit.輸出和輸入之間呈現(xiàn)高阻抗/傳輸門戳止.當c=rDI>,的,總有一個如冶管導通，使輸出和輸入之間呈低阻抗，傳輸門導通.

傳輸門傳輸高電平信號時，若控制信號C為有效電平，則傳輸門導通，電流從輸入端經(jīng)溝道流向輸出端，向負載電容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?，電流從輸出端流向輸入端，負載電容CL經(jīng)傳輸門向輸入端放電，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邏輯門電路1.CMOS與非門、或非門圖13門圖13門當輸入信號為0時，與之相連的N溝道MOS管截止，P溝道MOS管導通；反之則N溝道MOS管導通，P溝道MOS管截止。在各輸入端，輸出端增加一綏反相器,在各輸入端，輸出端增加一綏反相器,構成帶繾凈圾的門電路。帶緡沖垠的與非門是在或非門的輸入端、輸出端接入反相器構成的?！?14喏圾神部的與非門輸出電阻受輸入端狀態(tài)的影響；當輸入端數(shù)目增多時，輸出低電平也隨著相應提高，使低電平噪聲容限降低。三態(tài)輸出CMOS門是在普通門電路上，增加了控制端和控制電路構成，一般有三種結構形式。第一種形式：在反相器基礎上增加一對P溝道T'P和N溝道T,NMOS管。當控制端為1時，T'P和T'N同時截止，輸出呈高阻態(tài)；當控制端為0時，T'P和T'N同時導通，反相器正常工作。該電路為低電平有效的三態(tài)輸出門。圖15三態(tài)輸出CMOS門

結構之一第二種形式和第三種形式:圖15三態(tài)輸出CMOS門

結構之一第二種形式和第三種形式:囹17三態(tài)Jft出tFH用門堵構之三漏極開路輸出門如圖18所示，其原理與TTL開路輸出門相同。圖18漏極開路輸出門CMOS電路以其低功耗、高抗干擾能力等優(yōu)點得到廣泛的應用。其工作速度已與TTL電路不相上下，而在低功耗方面遠遠優(yōu)于TTL電路。目前國產(chǎn)CMOS邏輯門有CC4000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邊沿時間/ns最高工作頻率/MHzCC4000系列3~189080354HC/74HC系列2~69625表2CMOS門性能比較“「新f1**0rJ礦DO圖］9器結構示意圖圖中的T1?T6均為寄生三極管，是產(chǎn)生鎖定效應的原因。寄生三極管等效電路中，T1和T2構成了一個正反饋電路。在CMOS電路中如果發(fā)生了T1、T2寄生三極管正反饋導電情況，稱為鎖定效應，或稱為可控硅效應。為保證CMOS電路不產(chǎn)生鎖定效應，vI和vO必須滿足:-Vp<<VDD+VD-VD<v0<VDD+^DD<^DD(BR)(心d端擊穿電壓)2.CMOS器件使用時應注意的問題輸入電路的靜電防護措施：運輸時最好使用金屬屏蔽層作為包裝材料；組裝、調試時，儀器儀表、工作臺面及烙鐵等均應有良好接地；不使用的多余輸入端不能懸空，以免拾取脈沖干擾。輸入端加過流保護措施：在可能出現(xiàn)大輸入電流的場合必須加過流保護措施。如在輸入端接有低電阻信號源時、在長線接到輸入端時、在輸入端接有大電容時等，均應在輸入端接入保護電阻RP。防止CM