使用CMOS集成电路需注意的几个问题(王玲)

使用CMOS集成电路需注意的几个问题(王玲)

集成电路按晶体管的性质分为ＴＴＬ和ＣＭＯＳ两大类，ＴＴＬ以速度见长，ＣＭＯＳ以功
耗低而著称，其中ＣＭＯＳ电路以其优良的特性成为目前应用最广泛的集成电路。在电子制
作中使用ＣＭＯＳ集成电路时，除了认真阅读产品说明或有关资料，了解其引脚分布及极限
参数外，还应注意以下几个问题：

１、电源问题

（１） ＣＭＯＳ集成电路的工作电压一般在３－１８Ｖ，但当应用电路中有门电路的模拟
应用（如脉冲振荡、线性放大）时，最低电压则不应低于４．５Ｖ。由于ＣＭＯＳ集成电路
工作电压宽，故使用不稳压的电源电路ＣＭＯＳ集成电路也可以正常工作，但是工作在不同
电源电压的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗是不相同的，在使用中一定要注意。

（２）ＣＭＯＳ集成电路的电源电压必须在规定范围内，不能超压，也不能反接。因为在制
造过程中，自然形成许多寄生二极管，如图１所示为反相器电路，在正常电压下，这些二极
管皆处于反偏，对逻辑功能无影响，但是由于这些寄生二极管的存在，一旦电源电压过高或
电压极性接反，就会使电路产生损坏。

２、驱动能力问题

ＣＭＯＳ电路的驱动能力的提高，除选用驱动能力较强的缓冲器来完成之外，还可将同一个
芯片几个同类电路并联起来提高，这时驱动能力提高到Ｎ倍（Ｎ为并联门的数量）。如图２
所示。

３、输入端的问题

（１）多余输入端的处理。ＣＭＯＳ电路的输入端不允许悬空，因为悬空会使电位不定，破
坏正常的逻辑关系。另外，悬空时输入阻抗高，易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而
且也极易造成栅极感应静电而击穿。所以“与”门，“与非”门的多余输入端要接高电平，
“或”门和“或非”门的多余输入端要接低电平。若电路的工作速度不高，功耗也不需特别
考虑时，则可以将多余输入端与使用端并联。

（２）输入端接长导线时的保护。在应用中有时输入端需要接长的导线，而长输入线必然有
较大的分布电容和分布电感，易形成ＬＣ振荡，特别当输入端一旦发生负电压，极易破坏Ｃ
ＭＯＳ中的保护二极管。其保护办法为在输入端处接一个电阻，如图３所示， Ｒ＝ＶＤＤ
／１ｍＡ。

（３）输入端的静电防护。虽然各种ＣＭＯＳ输入端有抗静电的保护措施，但仍需小心对
待，在存储和运输中最好用金属容器或者导电材料包装，不要放在易产生静电高压的化工材
料或化纤织物中。组装、调试时，工具、仪表、工作台等均应良好接地。要防止操作人员的
静电干扰造成的损坏，如不宜穿尼龙、化纤衣服，手或工具在接触集成块前最好先接一下
地。对器件引线矫直弯曲或人工焊接时，使用的设备必须良好接地。

（４） 输入信号的上升和下降时间不易过长，否则一方面容易造成虚假触发而导致器件失
去正常功能，另一方面还会造成大的损耗。对于７４ＨＣ系列限于０．５ｕｓ以内。若不满
足此要求，需用施密特触发器件进行输入整形，整形电路如图４所示。

（５）ＣＭＯＳ电路具有很高的输入阻抗，致使器件易受外界干扰、冲击和静电击穿，所以
为了保护ＣＭＯＳ管的氧化层不被击穿，一般在其内部输入端接有二极管保护电路，如图５
所示。

其中Ｒ约为１．５－２．５ＫΩ。输入保护网络的引入使器件的输入阻抗有一定下降，但仍
在１０８Ω以上。这样也给电路的应用带来了一些限制：

（Ａ）输入电路的过流保护。ＣＭＯＳ电路输入端的保护二极管，其导通时电流容限一般为
１ｍＡ?在可能出现过大瞬态输入电流（超过１０ｍＡ）时，应串接输入保护电阻。例如，
当输入端接的信号，其内阻很小、或引线很长、或输入电容较大时，在接通和关断电源时，
就容易产生较大的瞬态输入电流，这时必须接输入保护电阻，若ＶＤＤ＝１０Ｖ，则取限流
电阻为１０ＫΩ即可。

（Ｂ） 输入信号必须在ＶＤＤ到ＶＳＳ之间，以防二极管因正向偏置电流过大而烧坏。因
此在工作或测试时，必须按照先接通电源后加入信号，先撤除信号后关电源的顺序进行操
作。在安装，改变连接，拔插时，必须切断电源，以防元件受到极大的感应或冲击而损坏。

（Ｃ）由于保护电路吸收的瞬间能量有限，太大的瞬间信号和过高的静电电压将使保护电路
失去作用。所以焊接时电烙铁必须可靠接地，以防漏电击穿器件输入端，一般使用时，可断
电后利用电烙铁的余热进行焊接，并先焊其接地管脚。

（Ｄ）要防止用大电阻串入ＶＤＤ或ＶＳＳ端，以免在电路开关期间由于电阻上的压降引起
保护二极管瞬时导通而损坏器件。

４、ＣＭＯＳ的接口电路问题

（１）ＣＭＯＳ电路与运放连接。当和运放连接时，若运放采用双电源，ＣＭＯＳ采用的是
独立的另一组电源，即采用如图６所示电路，电路中，ＶＤ１、ＶＤ２为钳位保护二极管，
使ＣＭＯＳ输入电压处在１０Ｖ与地之间。１５ＫΩ的电阻既作为ＣＭＯＳ的限流电阻，又
对二极管进行限流保护。若运放使用单电源，且与ＣＭＯＳ使用的电源一样，则可直接相
连。

（２）ＣＭＯＳ与ＴＴＬ等其它电路的连接。在电路中常遇到ＴＴＬ电路和ＣＭＯＳ电路混
合使用的情况，由于这些电路相互之间的电源电压和输入、输出电平及负载能力等参数不
同，因此他们之间的连接必须通过电平转换或电流转换电路，使前级器件的输出的逻辑电平
满足后级器件对输入电平的要求，并不得对器件造成损坏。逻辑器件的接口电路主要应注意
电平匹配和输出能力两个问题，并与器件的电源电压结合起来考虑。下面分两种情况来说
明：

（Ａ）ＴＴＬ到ＣＭＯＳ的连接。用ＴＴＬ电路去驱动ＣＭＯＳ电路时，由于ＣＭＯＳ电路
是电压驱动器件，所需电流小，因此电流驱动能力不会有问题，主要是电压驱动能力问题，
ＴＴ Ｌ电路输出高电平的最小值为２．４Ｖ，而ＣＭＯＳ电路的输入高电平一般高于３．
５Ｖ，这就使二者的逻辑电平不能兼容。为此可采用图７所示电路，在ＴＴＬ的输出端与电
源之间接一个电阻Ｒ（上拉电阻）可将ＴＴＬ的电平提高到３．５Ｖ以上。

若采用的是ＯＣ门驱动，则可采用如图８所示电路。其中Ｒ为其外接电阻。Ｒ的取值一般在
１－４．７ＫΩ。

（Ｂ） ＣＭＯＳ到ＴＴＬ的连接。ＣＭＯＳ电路输出逻辑电平与ＴＴＬ电路的输入电平可
以兼容，但ＣＭＯＳ电路的驱动电流较小，不能够直接驱动ＴＴＬ电路。为此可采用ＣＭＯ
Ｓ／ＴＴＬ专用接口电路，如ＣＭＯＳ缓冲器ＣＣ４０４９等，经缓冲器之后的高电平输出
电流能满足ＴＴＬ电路的要求，低电平输出电流可达４ｍＡ。实现ＣＭＯＳ电路与ＴＴＬ电
路的连接，如图９所示。 需说明的时，ＣＭＯＳ与ＴＴＬ电路的接口电路形式多种多样，
实用中应根据具体情况进行选择。

５、输出端的保护问题

（１）ＭＯＳ器件输出端既不允许和电源短接，也不允许和地短接，否则输出级的ＭＯＳ管
就会因过流而损坏。

（２）在ＣＭＯＳ电路中除了三端输出器件外，不允许两个器件输出端并接，因为不同的器
件参数不一致，有可能导致ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ器件同时导通，形成大电流。但为了增加电
路的驱动能力，允许把同一芯片上的同类电路并联使用。

（３）当ＣＭＯＳ电路输出端有较大的容性负载时，流过输出管的冲击电流较大，易造成电
路失效。为此，必须在输出端与负载电容间串联一限流电阻，将瞬态冲击电流限制在１０ｍ
Ａ以下。