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1、第三章第三章 CMOS集成电路使用特点集成电路使用特点: :由于CMOS电路抗浪涌电压和大电流冲击的能力较TTL电路为低；输入端具有高阻抗；阈值电平与TTL电路不同等特点基于上述几点原因，在应用CMOS集成电路时，电路设计应注意以下几个方面的问题：输入端和输出端保护；电源；线路板设计；抗干扰与抗静电；温度；与TTL电路的接口等这些问题有的是基于安全原因，有的是基于信号处理或二者兼而有之。: :输入端与输出端保护输入端与输出端保护输入端处理：（防浪涌与抗干扰）由于CMOS电路输入阻抗高，当输入端处于悬空状态时，易受各种干扰信号的影响使其输出端的逻辑状态不稳定，甚至会导致可控硅效应的产生。因而，对
2、不使用的输入端要通过电阻数十K接地或接电源。从其他电子装置向CMOS电路输入信号时，为保险起见，可在CMOS输入端加限流电阻K级或百）。在输出端加限流电阻基于同样原因当电源电压VDD5V时，限流电阻可以省略: :电源和去耦供应TTL电路的电源同样可以应用于CMOS电路CMOS电路组成的系统大多应用于便携式设备。所以要考虑降低功耗的措施：（P39）降耗措施可以归结为：降频；减少电容包括分布电容）；改善输入信号波形。电源必须采取去耦以消除电源噪声。措施为在正负极加电容。由于大容量电容器对交流信号呈现较小的容抗，把它并联在电源两端，可以大大减小电压瞬变噪声。: :对于有效的电源去耦，去耦电容器对最小
3、的电压变化必须提供电流尖峰在持续时间所需要的电荷。可由下式确定去耦电容器的近似值。最小的去耦电容取决于可能允许的电压尖峰脉冲，通常限制在400mV。用陶瓷电容器去耦是最理想的，因为它的串联电感非常低。 : :线路板设计一）1、电源分配电源分配网络的印刷电路板上必须有良好的接地线，通常使用的梳形地线可能产生问题。在图2-7中，IC1的输出端驱动IC2的输入端，IC3的输出端驱动IC4的输入端，两个驱动电路没有耦合，相互之间应该不存在串音。但是由于IC1和IC3共同地线图中画斜线的区域），当IC1的输出状态转换时，在IC3的地线上可能产生尖峰信号。该尖峰信号经过IC3和IC4的信号连接传输到IC4
4、，使IC4的输出产生错误的转换。: : :地线处理图 在印刷板上接地: :应避免使用如图的跳线把器件的地线或VDD管脚连接到印刷电路板，因为连线电感会在输出端之间产生耦合。一个稳妥的解决办法是用多层印刷电路板，可以用单独的一层作为VDD面或GND面，使电源可以直接接到集成电路的电源脚。在VDD层和GND层之间固有的电容将会降低高频噪声的振幅，这种电容耦合具有不存在电感效应的明显优点，其作用像一个分立的去耦电容器。: :线路板设计二）对于热插拔设备，CMOS电路要求：连接时必须先接通电源后输入信号；断开时必须先断开信号后断开电源。以防止CMOS电路损坏。 数据信号VDDGND插拔方向: :抗干扰
5、与防静电 对于使用同样电源电压来说，对于使用同样电源电压来说，CMOSCMOS的抗干扰容限电压范围比任何的的抗干扰容限电压范围比任何的ICIC都优。都优。但但CMOSCMOS输入阻抗高，这是易接受电磁干扰的主要原因。因而，可采取如下措输入阻抗高，这是易接受电磁干扰的主要原因。因而，可采取如下措施解决干扰故障，对任何施解决干扰故障，对任何ICIC应用也适用。应用也适用。 1 1、采取抗干扰措施、采取抗干扰措施 （1 1实际所需工作速度不高如机电控制等应用），可在输入端、输出端各实际所需工作速度不高如机电控制等应用），可在输入端、输出端各加接地积分电容器加接地积分电容器5050200pF200pF
6、，降低开关速度，低速低频工作还有利于减小，降低开关速度，低速低频工作还有利于减小耗电。耗电。 （2 2输入端并接电阻输入端并接电阻1M1M以下来降低输入阻抗，该电阻值越小则抗电磁干扰以下来降低输入阻抗，该电阻值越小则抗电磁干扰性越高。性越高。 （3 3强化电源去耦，去耦电容器用钽电容器或钛电容器等。强化电源去耦，去耦电容器用钽电容器或钛电容器等。 （4 4消除机械开关、继电器抖动产生的振荡振铃干扰，采取屏蔽隔离、远距消除机械开关、继电器抖动产生的振荡振铃干扰，采取屏蔽隔离、远距离安装等措施。离安装等措施。 （5 5输入级加接施密特整形电路，可去除振幅不太大的干扰。有些输入级加接施密特整形电路，
7、可去除振幅不太大的干扰。有些CMOS CMOS ICIC输入内部没有施密特整形电路，就不宜直接输入变化过慢的波形，否则不输入内部没有施密特整形电路，就不宜直接输入变化过慢的波形，否则不仅输入级功耗电流增大，而且在电平过渡区易受小幅度脉冲干扰。仅输入级功耗电流增大，而且在电平过渡区易受小幅度脉冲干扰。 （6 6电源进线安装滤波器，却除通过电源线串入的干扰。电源进线安装滤波器，却除通过电源线串入的干扰。 （7 7远离大电流机械开关接点，这类接点常会产生强大的干扰脉冲，常以无远离大电流机械开关接点，这类接点常会产生强大的干扰脉冲，常以无线辐射形式产生干扰。应同时采用隔离屏蔽，采用绞合线或屏蔽线作为连
8、接线辐射形式产生干扰。应同时采用隔离屏蔽，采用绞合线或屏蔽线作为连接线。线。 （8 8避免输入线与输出线平行、靠近，连线尽量短。避免输入线与输出线平行、靠近，连线尽量短。 （9 9注意地线布局，尽量采用多根地线将各部分分别独立连接至一点电源低注意地线布局，尽量采用多根地线将各部分分别独立连接至一点电源低阻接地点即一点接地法），尤其是大电流接地线更必须单独引至电源滤波阻接地点即一点接地法），尤其是大电流接地线更必须单独引至电源滤波去耦接地点。去耦接地点。 （1010设计组合逻辑电路时，应注意组合各路信号的各自开关延时。不同的设计组合逻辑电路时，应注意组合各路信号的各自开关延时。不同的开关延时会在
9、组合结果中产生不希望有的杂波干扰，以致引起误动作。（组开关延时会在组合结果中产生不希望有的杂波干扰，以致引起误动作。（组合冒险）合冒险）: :温度影响温度升高对CMOS电路有害无益。不但性能指标下降；安全指标同样下降。必须采取有力措施降低设备温度。散热措施可以看出产品设计的精密程度与成本投入。: :CMOS集成电路的接口集成电路的接口 高速高速CMOSCMOS与与LSTTLLSTTL集成电路在速度、逻辑功能、管脚排集成电路在速度、逻辑功能、管脚排列和扇出等许多方面的一致性，使高速列和扇出等许多方面的一致性，使高速CMOSCMOS集成电路成集成电路成为为LSTTLLSTTL最佳的代用品。高速最佳
10、的代用品。高速CMOSCMOS逻辑系列的问世也给逻辑系列的问世也给电子系统设计人员提供了更大的选择余地，可以根据系统电子系统设计人员提供了更大的选择余地，可以根据系统设计的需要，从速度、复杂性和功能等方面选择某一种合设计的需要，从速度、复杂性和功能等方面选择某一种合适的逻辑系列，或者从几种逻辑系列中取出最好的器件，适的逻辑系列，或者从几种逻辑系列中取出最好的器件，再把它们组装在一起。在这种不同逻辑系列器件混合使用再把它们组装在一起。在这种不同逻辑系列器件混合使用的系统中，就会出现不同逻辑系列的接口问题。因而，高的系统中，就会出现不同逻辑系列的接口问题。因而，高速速CMOSCMOS集成电路与其他
11、逻辑系列接口或者与非标准电平集成电路与其他逻辑系列接口或者与非标准电平接口，就成为应用中一个重要的问题。接口，就成为应用中一个重要的问题。逻辑器件接口时主要应注意电平匹配和扇出能力两个问题，逻辑器件接口时主要应注意电平匹配和扇出能力两个问题，但是这两者都必须与器件的电源电压结合起来考虑才有意但是这两者都必须与器件的电源电压结合起来考虑才有意义。因此通常根据器件工作的电源电压把逻辑接口分为两义。因此通常根据器件工作的电源电压把逻辑接口分为两类：电源电压相同的接口和电源电压不同的接口。类：电源电压相同的接口和电源电压不同的接口。: :一、电源电压相同的接口一、电源电压相同的接口1 1、高速、高速C
12、MOSCMOS与与TTLTTL的接口的接口高速高速CMOSCMOS集成电路的集成电路的HCHC型，其工作电源电压为型，其工作电源电压为2 26V6V，HCTHCT型为型为5V5V，而，而TTLTTL的电源电压也是的电源电压也是5V5V，因而两种系列可以在相同的因而两种系列可以在相同的5V5V电源电压下接口。电源电压下接口。连接时，又可分为以下两种具体情况：连接时，又可分为以下两种具体情况：(1)TTL(1)TTL输出驱动高速输出驱动高速CMOSCMOS在电源电压为在电源电压为5V5V时，时，TTLTTL输出高电平也不会超过输出高电平也不会超过3.5V3.5V。如果在。如果在TTLTTL的输出端
13、有负载，或者晶体管的输出端有负载，或者晶体管Q2Q2的集电极有漏电，在电阻的集电极有漏电，在电阻R1R1上将会产生压降，上将会产生压降，使输出高电平降低。在最坏情况下标准使输出高电平降低。在最坏情况下标准TTLTTL输出高输出高电平的电平的最小值为最小值为2.4V2.4V，LSTTLLSTTL输出高电平的最小值为输出高电平的最小值为2.7V2.7V。因此标准因此标准TTLTTL输出高电平的范围为输出高电平的范围为2.42.43.5V3.5V，LSTTLLSTTL为为2.72.73.5V3.5V。: :TTL、CMOS电路的输入、输出特性参数电路的输入、输出特性参数: :HC型高速CMOS集成电
14、路的输入高、低电平范围为电源电压的30%。当VCC=5V时，其高电平输入范围为3.55V，低电平输入范围为01.5V。这里讨论的TTL输出驱动高速CMOS是指HC型，驱动HCT型器件的情况将在后面介绍。将TTL的输出电平范围和74HC的输入电平范围进行比较，可以看出低电平匹配而高电平不匹配不必考虑扇出能力）。为了用TTL输出驱动74HC输入，有两种解决方法：: : A. 在TTL输出端与VCC之间加接上拉电阻，如图2-29所示。这样可以使TTL的输出高电平升高到接近电源电压，以实现与74HC电路兼容。电阻值要由下式求出：式中n是TTL驱动74HC的门数扇动数）。 图 LSTTL与HC器件接口:
15、 :B.B.用用HCTHCT型器件接口型器件接口.HCT.HCT作为和作为和HCHC的接口的接口器件器件开发开发74HCT74HCT型器件的目的之一是把它作为高速型器件的目的之一是把它作为高速CMOSCMOS和和TTLTTL的接口器件使用。的接口器件使用。HCTHCT型的输入结构型的输入结构和和HCHC型有一些差别，两者的输入电平范围也不同。型有一些差别，两者的输入电平范围也不同。当电源电压为当电源电压为5V5V时，时，HCTHCT器件输入高电平的最小器件输入高电平的最小值为值为2V2V，输入低电平最大值为，输入低电平最大值为0.8V0.8V，与，与TTLTTL输出输出电平完全兼容，因此电平完
16、全兼容，因此TTLTTL输出可以直接和输出可以直接和HCTHCT器件器件的输入连接而不需要外接上拉电阻，然后再由的输入连接而不需要外接上拉电阻，然后再由HCTHCT器件的输出驱动器件的输出驱动HCHC器件的输入，如图器件的输入，如图2-212-21所所示。示。用用HCTHCT器件接口避免了上拉电阻的缺点，是器件接口避免了上拉电阻的缺点，是TTLTTL与与HCHC器件接口的最佳选择。器件接口的最佳选择。: :(2)(2)高速高速CMOSCMOS输出驱动输出驱动TTLTTL输入输入在在5V5V电源电压下，电源电压下，74HC/HCT74HC/HCT的输出电平和的输出电平和LSTTLLSTTL的输入
17、电平如下：的输入电平如下：74HC/HCT 74HC/HCT （输出）（输出） LSTTL LSTTL输入）输入）Volmax=0.1V Vilmax=0.8VVolmax=0.1V Vilmax=0.8VVohmin=4.9V Vihmin=2VVohmin=4.9V Vihmin=2V可见这些电平是兼容的，高速可见这些电平是兼容的，高速CMOSCMOS可以直接驱动可以直接驱动TTLTTL。这种接口的唯一限制是高速。这种接口的唯一限制是高速CMOSCMOS的扇出能的扇出能力。如图力。如图2-222-22所示，当所示，当LSTTLLSTTL的输入为低电平时，的输入为低电平时，从从VCCVCC通
18、过通过R1R1和和D2D2向高速向高速CMOSCMOS的输出电流为的输出电流为IilIil，从表从表2-12-1可知可知LSTTLLSTTL的的Iilmax=400AIilmax=400A，74HC74HC标准标准电路的电路的Iolmax=4mAIolmax=4mA，可求得扇出数，可求得扇出数n n为：为：: :74HC标准电路的输出可驱动10个LSTTL负载，总线驱动器可驱动15个LSTTL负载。如果需要更大的扇出，可以用几个门并联使用。HCCMOS并联输出N个LSTTL负载: :2 2、高速、高速CMOSCMOS与与40004000系列系列CMOSCMOS电路接口电路接口由于这两个系列都是
19、由于这两个系列都是CMOSCMOS电路，在使用同一电源时，输电路，在使用同一电源时，输入和输出完全兼容，不需要任何接口电路，可以直接连接。入和输出完全兼容，不需要任何接口电路，可以直接连接。又由于两者的输入电流都很小，都不存在扇出限制的问题。又由于两者的输入电流都很小，都不存在扇出限制的问题。3 3、高速、高速CMOSCMOS与与NMOSNMOS器件接口器件接口高速高速CMOSCMOS集成电路的速度与集成电路的速度与LSTTLLSTTL电路相仿，因而在以电路相仿，因而在以NMOSNMOS工艺制作的微处理器、存储器以及其他大规模集成工艺制作的微处理器、存储器以及其他大规模集成电路的系统中，高速电
20、路的系统中，高速CMOSCMOS可能取代双极型外围电路，就可能取代双极型外围电路，就会出现高速会出现高速CMOSCMOS与与NMOSNMOS器件的接口问题。对于微处理器件的接口问题。对于微处理器和存储器等大规模集成电路，目前还没有确定的输入、器和存储器等大规模集成电路，目前还没有确定的输入、输出规范，大多数采用输出规范，大多数采用TTLTTL的规范，因此高速的规范，因此高速CMOSCMOS和和NMOSNMOS器件接口时可产参考高速器件接口时可产参考高速CMOSCMOS与与TTLTTL接口原则。和接口原则。和CMOSCMOS器件一样，器件一样，NMOSNMOS器件的输入电流也很小，当用高器件的输
21、入电流也很小，当用高速速CMOSCMOS输出驱动输出驱动NMOSNMOS时也没有扇动能力的限制。时也没有扇动能力的限制。: :二、电源电压不同的接口二、电源电压不同的接口在很多情况下，需要将工作在不同电源电压下的几种集成电路进行接口，这时必须有电平转换电路实现电平由低到高或高到低的转换。下面讨论几种常用的情况。TTL的工作电压总是在5V.而CMOS的工作电压范围为：26V。: :1 1、高速、高速CMOSCMOS与与LSTTLLSTTL接口接口74HC74HC集成电路的电源电压范围为集成电路的电源电压范围为2 26V6V，当它在低，当它在低于于5V5V的电压下工作时例如的电压下工作时例如4V4
22、V），与工作于），与工作于5V5V的的LSTTLLSTTL的电源电压就不同。在这种情况下，当的电源电压就不同。在这种情况下，当LSTTLLSTTL输出驱动输出驱动74HC74HC器件的输入时，就要使用逻器件的输入时，就要使用逻辑电平变换电路辑电平变换电路74HC404974HC4049和和40504050，它们在低电，它们在低电源电压下将高电压转换成低电压，接口电路如图源电压下将高电压转换成低电压，接口电路如图2-232-23所示。所示。图2-23 LSTTL至低压HCMOS: :在上述连接时有一种特殊情况，就是TTL电路工作在5V，74HC电路工作在3V。由于3V工作的高速CMOS集成电路的
23、输入和输出是与5V工作的TTL的电路兼容的，这时两种电路可以直接进行接口 : :2 2、高速、高速CMOSCMOS与与40004000系列电路接口系列电路接口40004000系列系列CMOSCMOS电路有很宽的电源电压范围，为电路有很宽的电源电压范围，为3 318V18V。这时讨论的是指。这时讨论的是指40004000系列系列CMOSCMOS电路在高电路在高于于74HC74HC电源电压下工作时与高速电源电压下工作时与高速CMOSCMOS接口的问接口的问题。题。（1 1高速高速CMOSCMOS输出驱动输出驱动4000CMOS4000CMOS输入输入如图如图2-252-25a a所示，使用所示，使
24、用HEF4104BHEF4104B低至高电平低至高电平变换器接口。变换器接口。（2 240004000系列系列CMOSCMOS输出驱动高速输出驱动高速CMOSCMOS输入一输入一种接口电路如图种接口电路如图2-252-25b b所示，采用所示，采用4049/40504049/4050或或74HC4049/405074HC4049/4050实现实现40004000系列系列CMOSCMOS系列与高系列与高速速CMOSCMOS器件接口。由于高速器件接口。由于高速CMOSCMOS有高输入阻抗，有高输入阻抗，另一种接口方法是采用图另一种接口方法是采用图2-252-25c c所示的电阻分所示的电阻分压器实
25、现高至低电平转换。当然，电阻分压器要压器实现高至低电平转换。当然，电阻分压器要消耗一些功率。消耗一些功率。: :4104：低至高电平变换器4049/4050:高至低电平变换器图2-25 高速CMOS与4000系列接口方法 : :3 3、高速、高速CMOSCMOS与与ECL10KECL10K系列接口系列接口为了实现高速为了实现高速CMOSCMOS与与ECL10KECL10K系列接口，要采用系列接口，要采用10124ECL10124ECL转换器实现从转换器实现从ECLECL输出到高速输出到高速CMOSCMOS输输入的连接，用入的连接，用10125TTL10125TTL转换器将转换器将CMOSCMO
26、S输出连输出连接至接至ECLECL的输入端，接口电路如图的输入端，接口电路如图2-262-26所示。要注所示。要注意这两种转换器是以意这两种转换器是以TTLTTL电平工作的，当用电平工作的，当用1012510125对对74HC74HC型电路接口时，必须使用上拉电阻型电路接口时，必须使用上拉电阻R1R1才能才能达到由达到由TTLTTL驱动驱动HCHC器件的电平要求。器件的电平要求。另一种方法是使高速另一种方法是使高速CMOSCMOS集成电路也在集成电路也在ECLECL的的- -5.2V5.2V电源下工作。如图电源下工作。如图2-272-27所示。这时高速所示。这时高速CMOSCMOS的输出可以直
27、接连接到的输出可以直接连接到ECLECL的输入。的输入。: :图2-26 高速CMOS与ECL系列接口图2-26 高速CMOS与ECL系列接口图2-27 HCMOS直接驱动ECL: :CMOS与非标准电平接口与非标准电平接口 除了与各种逻辑系列的接口之外，在很多应用中，除了与各种逻辑系列的接口之外，在很多应用中，高速高速CMOSCMOS集成电路需要与非标准输入和输出电平集成电路需要与非标准输入和输出电平接口，例如工作电源为接口，例如工作电源为121224V24V的工业和汽车系的工业和汽车系统。图统。图2-282-28a a和和(b)(b)的电路表示了这些接口的的电路表示了这些接口的基本方法，（
28、基本方法，（a a为非标准逻辑电平与为非标准逻辑电平与HC/HCTHC/HCT电电路接口，图中电阻分压器路接口，图中电阻分压器R1R1和和R2R2的阻值取决于驱的阻值取决于驱动电路的输出电压，而动电路的输出电压，而C1C1取决于噪声和速度。取决于噪声和速度。（b b为为HC/HCTHC/HCT器件与非标准逻辑电平接口，图器件与非标准逻辑电平接口，图中中R1R1和和R2R2的阻值由电源电压及晶体管类型决定。的阻值由电源电压及晶体管类型决定。（c c为为HC/HCTHC/HCT器件与大于器件与大于VCCVCC的输入电压接口，的输入电压接口，表示高速表示高速CMOSCMOS器件与大于器件与大于VCC
29、VCC的输入电压接口的的输入电压接口的输入电路结构。输入电路结构。: :图2-28高速CMOS与非标准电平接口: :高速高速CMOSCMOS集成电路较高的输出驱动电流使之可能集成电路较高的输出驱动电流使之可能直接驱动某些外接负载。但是有一些器件，如发直接驱动某些外接负载。但是有一些器件，如发光二极管、继电器、螺线管等的工作电流可能超光二极管、继电器、螺线管等的工作电流可能超过高速过高速CMOSCMOS的驱动能力，达到几十毫安以上的水的驱动能力，达到几十毫安以上的水平，这时高速平，这时高速CMOSCMOS集成电路与负载之间最采用晶集成电路与负载之间最采用晶体管接口的方法。在高速体管接口的方法。在
30、高速CMOSCMOS输出信号控制下，输出信号控制下，由晶体管提供放大的电流可以达到几百毫安由晶体管提供放大的电流可以达到几百毫安去驱动负载工作。图去驱动负载工作。图2-292-29列举了高速列举了高速CMOSCMOS与负载与负载接口的几种方法。图接口的几种方法。图2-292-29a a表示经过晶体管驱表示经过晶体管驱动外接电源的负载，图动外接电源的负载，图2-29(b)2-29(b)表示经过晶体管驱表示经过晶体管驱动相同电源的负载，而图动相同电源的负载，而图2-292-29c c为同一电源下为同一电源下高速高速CMOSCMOS直接与负载接口。直接与负载接口。: :图2-29 高速CMOS与负载接口的方法: :
