CMOS集成电路的保护措施

1、CMOS集成电路的保护措施CM0S集成电路具有一系列的优点，如功耗低，噪声容限大，抗干扰能力强，可以单电源驱动， 电源应用范围广，输入阻抗高，价格低， 易于大规模集成等。因此它巳成为80年代集成电路领域中发展最快的品种。下面介绍一些具体应用时的注意事项，一CMOS电路输入端的处理1输入信号电压范围：输入额定电压不能施加在Vss一03VinVD +03范围之外的电压， 即输入低电平不得低于Vss-03V，输入高电平不得高于VD口+03V。2输入电流的限制：每个输入端输入电流的绝对值应限制在1OmA以内，一般输入电流以不超过1mA为佳这可以通过在输入端加接一个限流电阻来实现。3输入信号线的考虑；有

2、时为了消除信号的延迟和噪声，信号线必须加接电容。在切断电源开关瞬间， 电容将通过输入保护二极管和电源内阻放电。当电容容量较大时瞬时放电电流就会很大，有可能烧坏输入保护二极管。因此一般当电容容量小于500P时信号线可直接接入输入端。当电容大于500P时必须通过一个限流电阻与输入端相接， 以防止输入端的过电流损坏。另外，当输入信号线较长时， 必然产生较大的分布电容和分布电感，很容易构成LC振荡。一旦产生振荡负电压时很有可能使输入端保护二极管损坏。因此当输入信号线较长时也要通过一个限流电阻接入输入端。=、CMOS电路多余输入端的处理TTL等电路在忘记处理不使用的输入端时只不过会引起错误的动作，而cM

3、OS电路则会；起漏源电流上升，结温升高，具体表现在 逻辑电平不正常，由于cMOS电路输入阻抗高， 因此容易接受外界噪声干扰，使电路产生误动作，容易使栅极感应静电，造成栅击穿，使电路受到损坏， 因此CMOS电路输入端不允许悬空。多余的输入端，可根据具体情况与V。 或GND相连接，也可和其它的输入端相连接。当和V 。或GND相接时，V 和GND也作为一个信号输入，因此这部分电路也产生一定的动作I当和其它输入端相接时，对接线及印刷线路设计而言比较简单，但相应地门限电平变化时杂声容限也会降低， 并且会增加输入容量，使速度下低，因而应视用途不同而加以注意。需特别指出的是整个系统的悬空。当印刷板的插麈接触

4、不良，或者插座拔去并长时期搁置时常含使下一级电路输入端漂浮而造成损坏。因此为了安全起见，可以在备输入端上接入限流保扩电阻， 如图所示。兰、静电击穿与预防措彘为了防止产生静电击穿， 通常在制造集成电路时在每个输入端上都加有标准保护网络。然而有了保护弼络并不等于绝对安全。一般保护网络只能承受1KV左右的静电和几伏的干扰脉冲尖峰， 而人们在迅速穿脱人造纤维的服装时由于衣服之间的激烈摩擦，会产生高迭几万伏的静电，这样ig#g位如加在MOS器件的栅极和衬底之间，则MOS器件仍有可能被损坏。因此使用时仍应特别拄意以下几点l1运输和保存时用铝箔或导电性容器密封起来，绝不能存放在易产生静电的泡沫塑料、塑料袋或

5、其它容器中。2工作时人体通过高阻接地，工作服，手套等应由无静电材料制成。3为防止电测量仪器的来自交流电的漏电，备类仪器均应良好接地。4特别注意烙铁外壳应良好接地，或在焊接时拔去电源插头， 以防漏电。5焊接印刷板部件时，CMOS电路应在最后安装。装好CMOS电路的印刷板应用短路插头短路后存放， 或者存放在屏蔽的导电盒内。6调试CMOS电路时， 如信号谅和电路板是用两组电源， 则开机时先接通CMOS装置的电源，再接通信号源或其它电源。关机时则先关其它电豫， 最后关CMOS装置的电酥。7由于CMOS电路是高阻抗器件，高湿度和表面污染会使器件变坏，与一般电子元件一样应尽量避免在高温、高湿、粉尘条件下使

6、用。1CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。两个MOS管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。COMS反向器若输入vI为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。2CMOS反相器的主要特性电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。工作区：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区：PMOS

7、和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO0V，处于稳定的开态。表1 CMOS电路MOS管的工作状态表工作区输入电压vI范围PMOS管NMOS管输出0 vI VGS(th)N非饱和截止vO VDDVGS(th)N vI vO+ VGS(th)P非饱和饱和vO+ VGS(th)P vI vO+ VGS(th)N饱和饱和vO+ VGS(th)N vI VDD+ VGS(th)P饱和非饱和VDD+ VGS(th)P vI VDD截止非饱和vO0CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区时，由于负载管和输入管都处于饱和导通

8、状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。CMOS反相器具有如下特点：(1) 静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区和工作区，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。(2) 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3) 电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3+18V。(4) 输入阻抗高，带负载能力强。输入特性和输出特性(1) 输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被

9、击穿，CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。考虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图5所示。(2) 输出特性a. 低电平输出特性当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入管，如图3-5-6 所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图3-5-7 所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。 电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高

10、时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。3CMOS传输门CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成。传输门传输高电平信号时，若控制信号C为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容CL充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。若传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。4CMOS逻辑门电路CMOS与非门、或非门当输入信号为0

11、时，与之相连的N沟道MOS管截止，P沟道MOS管导通；反之则N沟道MOS管导通，P沟道MOS管截止。(1) 输出电阻受输入端状态的影响；(2) 当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。三态输出CMOS门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。第一种形式：在反相器基础上增加一对P沟道TP和N沟道TN MOS管。当控制端为1时，TP和TN同时截止，输出呈高阻态；当控制端为0时，TP和TN同时导通，反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。第二种形式和第三种形式：漏极开路输出门如图18所示，其原理与TTL开路输出门相同。CMOS电路以其低功

12、耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与TTL电路不相上下，而在低功耗方面远远优于TTL电路。目前国产CMOS逻辑门有CC 4000系列和高速54HC/74HC系列，主要性能比较如下：系列电源电压/V传输延迟/ns边沿时间/ns最高工作频率/MHzCC4000系列3189080354HC/74HC系列269625表2 CMOS门性能比较CMOS电路的锁定效应图中的T1T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。寄生三极管等效电路中，T1和T2构成了一个正反馈电路。在CMOS电路中如果发生了T1、T2寄生三极管正反馈导电情况，称为锁定效应，或称为可控硅效应。为保证CMOS电路不产生锁定

13、效应，vI和vO必须满足：CMOS器件使用时应注意的问题(1) 输入电路的静电防护措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。(2) 输入端加过流保护措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。(3) 防止CMOS器件产生锁定效应措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加去耦电路，在VDD输入端与电源之间加限流电路，防止VDD端出现瞬态高压；在vI输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发生了锁定效应，也能使T1、T2电源限制在一定范围内，不致于损坏器件。如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序必须合理，启动时应先接通CMOS电路的电源，再接入信号源或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断CMOS电源。各类数字集成电路主要性能参数的比较表3 各类数字集成电路主要性能参数比较表电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限输出逻辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT