CMOS集成電路的保護措施

1、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(qū)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(lǐng)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1輸入信號電壓范圍：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：每個輸入端輸入電流的絕對值應限制在1oma以內(nèi)，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)。3輸入信號線的考慮；有

2、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(guān)瞬間， 電容將通過輸入保護二極管和電源內(nèi)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(gòu)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。=、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cm

3、os電路則會；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)生誤動作，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。 或gnd相連接，也可和其它的輸入端相連接。當和v 。或gnd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(shè)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

4、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(luò)。然而有了保護弼絡(luò)并不等于絕對安全。一般保護網(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。因此使用時仍應特別拄意以下幾點l1運輸和保存時用鋁箔或?qū)щ娦匀萜髅芊馄饋?，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工作時人體通過高阻接地，工作服，手套等應由無靜電材料制成。3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。5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(nèi)。6調(diào)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(guān)機時則先關(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

6、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)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可分為五個工作區(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)，特性曲線急劇變化，vi值等于閾值電壓vth。工作區(qū)：負載管截止，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，只在工作區(qū)時，由于負載管和輸入管都處于飽和導通

8、狀態(tài)，會產(chǎn)生一個較大的電流。其余情況下，電流都極小。cmos反相器具有如下特點：(1) 靜態(tài)功耗極低。在穩(wěn)定時，cmos反相器工作在工作區(qū)和工作區(qū)，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。(2) 抗干擾能力較強。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。(3) 電源利用率高。voh=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。(4) 輸入阻抗高，帶負載能力強。輸入特性和輸出特性(1) 輸入特性為了保護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。 (2) 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。輸出電阻的大小與vgsn(vi)有關(guān)，vi越大，輸出電阻越小，反相器帶負載能力越強。 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?？珊雎圆挥嫛mos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

10、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。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cmos與非門、或非門當輸入信號為

11、0時，與之相連的n溝道m(xù)os管截止，p溝道m(xù)os管導通；反之則n溝道m(xù)os管導通，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(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p溝道tp和n溝道tn mos管。當控制端為1時，tp和tn同時截止，輸出呈高阻態(tài)；當控制端為0時，tp和tn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。第二種形式和第三種形式：漏極開路輸出門如圖18所示，其原理與ttl開路輸出門相同。cmos電路以其低

12、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邊沿時間/ns最高工作頻率/mhzcc4000系列3189080354hc/74hc系列269625表2 cmos門性能比較cmos電路的鎖定效應圖中的t1t6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(gòu)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

13、定效應，vi和vo必須滿足：cmos器件使用時應注意的問題(1) 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(diào)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。(2) 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。(3) 防止cmos器件產(chǎn)生鎖定效應措施：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，也能使t1、t2電源限制在一定范圍內(nèi)，不致于損壞器件。如果一個系統(tǒng)中由幾個電源分別供電時，各電源開關(guān)順序必須合理，啟動時應先接通cmos電路的電源，再接入信號源或負載電路；關(guān)閉時，應先切斷信號源和負載電路，再切斷cmos電源。各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)的比較表3 各類數(shù)字集成電路主要性能參數(shù)比較表電路類型電源電壓/v傳輸延遲時間/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