CMOS集成電路基礎知識
CMOS集成電路的性能及特點
l 功耗低
CMOS集成電路采用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處于一個管導通，另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。
l 工作電壓范圍寬
CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩壓。國產CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。
l 邏輯擺幅大
CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓電壓利用系數在各類集成電路中指標是較高的。
l 抗干擾能力強
CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓（當VSS=0V時），電路將有7V左右的噪聲容限。
l 輸入阻抗高
CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極管和串聯電阻構成的保護網絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內，這些保護二極管均處于反向偏置狀態，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。
l 溫度穩定性能好
由于CMOS集成電路的功耗很低，內部發熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數都具有對稱性，在溫度環境發生變化時，某些參數能起到自動補償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55 ~ 125℃；塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ 85℃。
l 扇出能力強
扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。
l 抗輻射能力強
CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬于多數載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實驗設備。
l 可控性好
CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制，其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的125%~140%。
l 接口方便
因為CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅動，也容易驅動其他類型的電路或器件。
CMOS集成電路的工作原理
下面我們通過CMOS集成電路中的一個 基本電路-反相器（其他復雜的CMOS集成電路大多是由反相器單元組合而成）入手，分析一下它的工作過程。
利用一個P溝道MOS管和一個N溝道MOS管互補連接就構成了一個 基本的反相器單元電路如附圖所示。圖中VDD為正電源端，VSS為負電源端。電路設計采用正邏輯方法，即邏輯“1”為高電平，邏輯“0”為低電平。
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附圖中，當輸入電壓VI為底電平“0”（VSS）時，N溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=0V（源極和襯底一起接VSS），由于是增強型管，所以管子截止，而P溝道MOS管的柵-源電壓VGSN=VSS—VDD。若| VSS—VDD |>| VTP|（MOS管開啟電壓），則P溝道MOS管導通，所以輸出電壓V0為高電平“1”（VDD），實現了輸入和輸出的反相功能。
當輸入電壓VI為底電平“1”（VDD）時，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）> VGSN ，則N溝道MOS管導通，此時VGSN=0V， P溝道MOS管截止，所以輸出電壓V0為低電平“0”（VSS），與VI互為反相關系。
由上述分析可知，當輸入信號為“0”或“1”的穩定狀態時，電路中的兩個MOS管總有一個處于截止狀態，使得VDD和VSS之間無低阻抗直流通路，因此靜態功耗極小。這便是CMOS集成電路 主要的特點。
CMOS集成電路應用常識
l 電路的極限范圍。
表1列出了CMOS集成電路的一般參數，表2列出了CMOS集成電路的極限參數。CMOS集成電路在使用過程中是不允許在超過極限的條件下工作的。當電路在超過 大額定值條件下工作時，很容易造成電路損壞，或者使電路不能正常工作。
表1 CMOS集成電路（CC4000系列）的一般參數表
參數名稱
符號
單位
電源電壓VDD（V）
參數
大值
小值
靜態功耗電流
IDD
uA
5
0.25
10
0.50
15
1.00
輸入電流
II
uA
18
±0.1
輸出低電平電流
IOL
mA
5
0.51
10
1.3
15
3.4
輸出高電平電流
IOH
mA
5
-0.51
10
-1.3
15
-3.4
輸入邏輯低點平電壓
VIL
V
5
1.5
10
3
15
4
輸入邏輯高電平電壓
VIH
V
5
3.5
10
7
15
11
輸出邏輯低點平電壓
VOL
V
5
0.05
10
0.05
15
0.05
表2 CMOS集成電路（CC4000系列）的極限參數表
參數名稱
符號
極限值
高直流電源電壓
VDD（max）
18V
低直流電源電壓
VSS（min）
-0.5V
高輸入電壓
VI（max）
VDD 0.5V
低輸入電壓
VI（min）
-0.5V
大直流輸入電流
II（max）
±10mA
儲存溫度范圍
TS
-65℃~ 100℃
工作溫度范圍
（1）陶瓷扁平封裝
TA
-55℃~ 100℃
（2）陶瓷雙列直插封裝
-55℃~ 125℃
（3）塑料雙列直插封裝
-40℃~ 85℃
大允許功耗
（1）陶瓷扁平封裝TA=-55℃~ 100℃
PM
200mW
（2）陶瓷雙列直插封裝
TA=-55℃~ 100℃
TA= 100℃~ 250℃
500mW;
200mW
（3）塑料雙列直插封裝
TA=-55℃~ 60℃
TA= 60℃~ 85℃
500mW;
200mW
外引線焊接溫度（離封裝根部1.59±0.97mm處焊接，設定焊接時間為10S）
TL
265℃
應當指出的是：CMOS集成電路雖然允許處于極限條件下工作，但此時對電源設備應采取穩壓措施。這是因為當供電電源開啟或關閉時，電源上脈沖波的幅度很可能超過極限值，會將電路中各MOS晶體管電極之間擊穿。上述現象有時并不呈現電路失效或損壞現象，但有可能縮短電路的使用壽命，或者在芯片內部留下隱患，使電路的性能指標逐漸變劣。
l 工作電壓、極性及其正確選擇。
在使用CMOS集成電路時，工作電壓的極性必須正確無誤，如果顛倒錯位，在電路的正負電源引出端或其他有關功能端上，只要出現大于0.5V的反極性電壓，就會造成電路的永久失效。
雖然CMOS集成電路的工作電壓范圍很寬，如CC4000系列電路在3~18V的電源電壓范圍內都能正常工作，當使用時應充分考慮以下幾點：
1. 輸出電壓幅度的考慮。
電路工作時，所選取的電源工作電壓高低與電路輸出電壓幅度大小密切相關。由于CMOS集成電路輸出電壓幅度接近于電路的工作電壓值，因此供給電路的正負工作電壓范圍可略大于電路要求輸出的電壓幅度。
2. 電路工作速度的考慮。
CMOS集成電路的工作電壓選擇，直接影響電路的工作速度。對CMOS集成電路提出的工作速度或工作頻率指標要求往往是選擇電路工作電壓的因素。如果降低CMOS集成電路的工作電壓，必將降低電路的速度或頻率指標。
3. 輸入信號大小的考慮。
工作電壓將限制CMOS集成電路的輸入信號的擺幅，對于CMOS集成電路來說，除非對流經電路輸入端保護二極管的電流施加限流控制，輸入電路的信號擺幅一般不能超過供給電壓范圍，否則將會導致電路的損壞。
4. 電路功耗的限制。
CMOS集成電路所選取的工作電壓愈高，則功耗就愈大。但由于CMOS集成電路功耗極小，所以在系統設計中，功耗并不是主要考慮的設計指標。
l 輸入和輸出端使用規則。
1. 輸入端的保護方法。
在CMOS集成電路的使用中，要求輸入信號幅度不能超過VDD—VSS。輸入信號電流絕對值應小于10mA。如果輸入端接有較大的電容C時，應加保護電阻R，如附圖1所示。R的阻值約為幾十歐姆至幾十千歐姆。
2. 多余輸入端的處置。
CMOS集成電路多余輸入端的處置比較簡單，下面以或門及與門為例進行說明。如附圖2所示，或門（或非門）的多余輸入端應接至VSS端；與門（與非門）的多余輸入端應接至VDD端。當電源穩定性差或外界干擾較大時，多余輸入端一般不直接與電源（地）相連，而是通過一個電阻再與電源（地）相連，如圖3所示，R的阻值約為幾百千歐姆。
另外，采用輸入端并聯的方法來處理多余的輸入端也是可行的。但這種方法只能在電路工作速度不高，功耗不大的情況下使用。
3. 多余門的處置。
CMOS集成電路在一般使用中，可將多余門的輸入端接VDD或VSS，而輸出端可懸空不管。當用CMOS集成電路來驅動較大輸入電流的元器件時，可將多余門按邏輯功能并聯使用。
4. 輸出端的使用方法。
在高速數字系統中，負載的輸入電容將直接影響信號的傳輸速度，在這種情況下，CMOS集成電路的扇出系數一般取為10~20。此時，如果輸出能力不足，通常的解決方法是選用驅動能力較強的緩沖器（如四同相/反相緩沖器CC4041），以增強輸出端吸收電流的能力。
l 寄生可控硅效應的防護措施。
由于CMOS集成電路的互補特點，造成了在電路內部有一個寄生的可控硅（VS）效應。
當CMOS集成電路受到某種意外因素激發，如電感、電火花，在電源上引起的噪聲往往要超過CMOS集成電路的擊穿電壓（約25V）。這時，集成電路的VDD端和VSS端之間會出現一種低阻狀態，電源電壓突然降低，電流突然增加，如果電源沒有限流措施，就會把電路內部連接VDD或VSS的鋁線燒斷，造成電路永久性損壞。
如果電源有一定的限流措施（例如電源電流限在250mA以內），在出現大電流、低電壓狀態時，及時關斷電源，就能保證電路安全無損。重新打開電源，電路仍能正常工作。
簡單的限流方法是用電阻和穩壓管進行限流，如附圖1所示。圖中穩壓管的擊穿電壓就是CMOS集成電路的工作電壓，電阻用來限流，電容用來提供電路翻轉時所需的瞬態電流。
寄生VS造成損壞的電路用萬用表電阻擋就可判斷。正常電路，VDD—VSS之間有二極管特性：VS燒毀的電路，VDD~VSS之間呈開路狀態。
在系統中，被損壞的電路如果加交流信號，其輸出電平范圍很窄，既高電平不到VDD，低電平不到VSS，而且不能驅動負載。
正常的CMOS集成電路用JT-1晶體管特性測試儀測量，能得到如圖2所示的擊穿特性曲線。測試方法：VDD接正電源，VSS接地，所有的輸入端接VDD或VSS，測量集成電路的擊穿特性。
CMOS集成電路的接口電路
在CMOS集成電路的應用過程中，不可避免地要遇到不同類別的器件間相互連接問題。當各器件的邏輯電平互不一致，不能正確接受和傳遞信息時，要使用接口電路。這里主要介紹兩類接口。
l CMOS集成電路驅動其它器件。
1． CMOS-TTL集成電路的接口
由于TTL的低電平輸入電流1.6mA，而CMOS的低電平輸出電流只有1.5mA，因而一般都得加一個接口電路。這里介紹一種采用單電源的接口電路。在附圖1中，門II起接口電路的作用，是CMOS集成電路緩沖/電平變換器，起緩沖驅動或邏輯電平變換的作用，具有較強的吸收電流的能力，可直接驅動TTL集成電路，因而連接簡便。但是，使用時需要注意相位問題。電路中CC4049是六反相緩沖/變換器，而CC4050是六同相緩沖/變換器。
2． CMOS-HTL集成電路的接口
HTL集成電路是標準的工業集成電路，具有較高的抗干擾性能。由于CMOS集成電路的工作電壓很寬，因而可與HTL集成電路共用 15V電源。此時，兩者之間的VOH、VOL及IIH、IIL均互相滿足，不必另設接口電路，直接相連即可，連接電路見附圖2。
3． CMOS-ECL集成電路的接口
ECL集成電路是一種非飽和型的數字邏輯電路。其工作速度居所有邏輯電路之首。ECL采用負電源供電。CMOS集成電路驅動ECL集成電路可使用單電源工作，如附圖3所示。ECL集成電路加-5.2V工作電壓，CMOS的VDD接地，VSS接至-5.2V。以ECL集成電路CE10102為例，（CE10102內部包括4個2輸入或非門），流入ECL的輸入高電平電流IIH為265uA，輸入高電平電壓VIH為-1.105V, 在單電源下CMOS電路可以滿足ECL集成電路的輸入需要。
4． CMOS-NMOS集成電路的接口
NMOS集成電路是N溝道MOS電路，NMOS集成電路的輸入阻抗很高，基本上不需要吸收電流，因此，CMOS與NMOS集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。
NMOS集成電路大多采用單組正電源供電，并且以5V為多。CMOS集成電路只要選用與NMOS集成電路相同的電源，就可與NMOS集成電路直接連接。不過，從NMOS到CMOS直接連接時，由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平，因而需要使用一個（電位）上拉電阻R，如圖4所示，R的取值一般選用2~100KΩ。
5． CMOS-PMOS集成電路的接口
PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領域內應用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在10~12V就能滿足PMOS對輸入電平的要求。
CMOS-工業控制電路的接口
工業控制電路是工業控制系統中常用的電路，多采用24V工作電壓。圖6示出了CMOS電路與工業控制電路的連接方法。圖中R1是晶體三極管VT的基極偏流電阻，VT的作用是把CMOS電路較低的邏輯高電平拉到24V，使兩者構成良好的連接。
7． CMOS-晶體三極管VT的接口
圖7a是CMOS集成電路驅動晶體三極管的接口。晶體三極管VT采用共發射極形式連接R1是VT的負載電阻，R1是VT的基極偏流電阻，R1的大小由公式R1=（VOH-VBH）β/IL決定。式中IL為負載電流。使用時應先根據VL和IL來選定VC，然后估算IB（IB=IL/β）是否在CMOS集成電路的驅動能力之內。如超出，可換用β值更高的晶體三極管或達林頓管，如圖7b所示。晶體三極管VT按IL選定，IB=IL/（β1*β2），電阻R1的取值為：R1=（VOH -1.4）/(IB 1.4/R2),式中R2是為改善電路的開關特性而引入的，其值一般取為4〜10KΩ。
8． CMOS-發光二極管LED的接口
發光二極管（LED）具有高可靠性、低功耗、長壽命等多項重要特性。是與CMOS集成電路配合使用的 佳終端顯示器件之一。發光效率較高的LED可由CMOS集成電路直接驅動，特別當VDD=10~18V時，絕大多數的LED能夠有足夠的亮度。應當說明，用CMOS集成電路驅動LED應串入限流電阻，因為當VDD=10V時，其輸出短路電流可達20mA左右，若不加適當的限流保護，極易導致LED或CMOS集成電路損壞。圖8a是CMOS集成電路輸出低電平點亮LED的電路，電阻R可通過公式：R=（VDD-VOL-VLED）/ILED求出。圖8b是CMOS集成電路輸出高電平點亮LED的電路，電阻R的數值通過公式：R=（VOH-VLED）/ILED求出。式中VLED和分別是LED的工作電壓和工作電流。
如果在低電源電壓下工作的CMOS集成電路要驅動LED，或者使用負載能力較差的COOO系列CMOS集成電路驅動LED，均可能難以使LED發出足夠明亮的光。解決辦法是加一級晶體管驅動電路，以獲得足夠的驅動能力。
9． CMOS-可控硅VS的接口
一般中、小功率可控硅的觸發電流約在10mA以下，故多數CMOS集成電路能夠直接驅動可控硅。具體電路如圖9所示。若需要更大的驅動電流，可改為CMOS緩沖器（例如CC4041）或緩沖/驅動器（例如CC40107），也可加一級晶體三極管電路。
l 其它器件驅動CMOS集成電路。
1. TTL-CMOS集成電路的接口
利用集電極開路的TTL門電路可以方便靈活地實現TTL與CMOS集成電路的連接，其電路如圖1所示。圖1中的RL是TTL集電極開路門的負載電阻，一般取值為幾百Ω到幾MΩ。RL取較大值便于減小集電極開路門的功耗，但在一定程度上影響電路的工作速度。一般情況下，RL可取值47〜220KΩ;中速、高速工作場合取20KΩ以下較為合適。
2. ECL-CMOS集成電路的接口
ECL集成電路驅動CMOS集成電路的連接方法如圖2所示。它利用MC1024（ECL）的輸出去驅動晶體三極管VT，再由VT去驅動CMOS集成電路。
當MC1024的兩個輸入端都是-8V時，VT截止；若兩個輸入中的一個為-1.6V，在兩個輸出之間就有1.6V的電壓，既可驅動晶體管VT。
3. 工業控制電路-CMOS集成電路的接口
圖3所示接口電路，是利用分壓電阻R1、R2將24V工業控制電路與CMOS集成電路連接。濾波電容C提高了CMOS集成電路的抗干擾能力，兩個箝位二極管VD1、VD2用來保證輸入信號被控制在VDD和VSS之間。
4. NMOS-CMOS集成電路的接口
NMOS集成電路驅動CMOS集成電路的接口比較簡單。圖4為其中的一種電路。實際使用時只考慮當晶體三極管VT截止時，它的集電極電壓符合CMOS集成電路的輸入高平電壓這一條件。圖中RC的取值可在2~10K范圍內。由于VT的飽和壓降一般都比教小，都能符合CMOS輸入邏輯低電平的要求。
5. 機械開關觸點-CMOS集成電路的接口
許多電子設備都要通過撥盤開關、按扭、板鍵、鈕子開關和繼電器等與外界的傳感器或人工操作設備發生聯系，但由于這些開關的觸點都是機械的，所以在通斷過程中出現瞬間抖動，這些抖動輸入到CMOS集成電路中，就會干擾正常的邏輯關系。因此，在這類場合應用，需要設置防抖動接口。圖5所示電路采用CMOS與非門來構成的R-S觸發器防抖動接口。
6. HTL-CMOS集成電路的接口
HTL集成電路的電源電壓為15V，其輸出高電平VOH和輸出低電平電壓VOL完全適合于驅動VDD=15V的CMOS集成電路，因此兩者之間不需另設接口電路，直接連接既可，電源電壓也可通用，如圖6所示。
7. PMOS-CMOS集成電路的接口
如圖7所示的PMOS-CMOS集成電路的接口電路采用兩種電源供電。這樣連接后，盡管PMOS集成電路的輸出電平對自身的VSS端來講仍為負值，但對CMOS集成電路的VSS端而言卻變成正值、或零、或略低于零。例如當CMOS用12V電源時，其輸入電平為VIH=10V、VIL=0V，完全適合接口的需要。
圖7a中R取值應使CMOS輸入電流不大于50uA；圖7b中取值應使PMOS的VOL為-9.5~-10V。
8. HCMOS-CMOS集成電路的接口
這種情況通常較少遇見。由于兩者均是CMOS器件，故接口很容易，在CMOS與HCMOS同用一組電源時，直接連接便可。
9. 運算放大器-CMOS集成電路的接口
由于運算放大器電路采用±15V雙電源供電的較多，其輸出電壓 大可達±13V左右。對于CMOS集成電路來講，輸入信號不能超過電源電壓，因此需在CMOS的輸入端設置負向鉗位二極管予以保護。此外，如果CMOS的電源電壓低于13V，則還應設置正向鉗位二極管，用以防止CMOS的輸入電路被超過VDD較多的輸入正向電壓而燒壞。考慮以上兩個因素，我們可以得到如圖8a所示的運算放大器驅動CMOS的接口電路。圖中R1的作用是限制運算放大器的輸入電流，避免器件因過流而損壞；VD1和VD2分別為正向和負向輸入鉗位二極管。
對于采用單電源供電的運算放大器，因其輸出對地無負向成分，故CMOS的輸入負向鉗位二極管可不設。如果運算放大器與CMOS同用一組電源，則正向鉗位二極管也可以省去。這樣兩者就可直接連接，如圖9b所示。應注意，有的運算放大器不宜或不能在較低的電源電壓下工作，倘若運算放大器的電源電壓高于CMOS的電源電壓，就仍需設置正向鉗位二極管和限流電阻。
CMOS集成電路使用注意事項
l CMOS集成電路的安裝。
為了避免由于靜電感應而損壞電路，焊接CMOS集成電路所使用的電烙鐵必需良好接地，焊接時間不得超過5秒。 好使用20~25W內熱式電烙鐵和502環氧助焊劑，必要時可使用插座。
在接通電源的情況下，不應裝拆CMOS集成電路。凡是與CMOS集成電路接觸的工序，使用的工作臺及地板嚴禁鋪墊高絕緣的板材（如橡膠板、玻璃板、有機玻璃、膠木板等），應在工作臺上鋪放嚴格接地的細鋼絲網或銅絲網，并經常檢查接地可靠性。
l CMOS集成電路的測試。
測試時所有CMOS集成電路的儀器、儀表均應良好接地。如果是低阻信號源，應保證輸入信號不超過CMOS集成電路的電源電壓范圍（CXXX系列為7~15V，C4000系列為3~18V），既VSS≤Vi≤VDD。如果輸入信號一定要超過CMOS集成電路的電源電壓范圍，則應在輸入端加一個限流電阻，使輸入電流不超過5mA，以避免CMOS集成電路內部的保護二極管燒毀。
若信號源和CMOS集成電路用兩組電源，開機時，應先接同CMOS集成電路電源，后接通信號源電源。關機時，應先關信號源電源，后關CMOS集成電路電源。
l CMOS集成電路的保護措施。
因為CMOS集成電路輸入阻抗極高，隨機的靜電積累很可能使電路引出端任意兩端的電壓超過MOS管柵擊穿電壓，從而引起電路損壞。所以，CMOS集成電路不用時應把電路的外引線全部短路，或放在導電的屏蔽容器內，以防被靜電擊穿。
l CMOS集成電路的互換。
在使用中有些CMOS集成電路是可以直接換用。如國產CC4000可與國外產品CD4000、MC14000系列直接代換。
對于那些管腳排列和封裝形式完全一致，但電參數有所不同的CMOS集成電路，換用時要十分注意。如國產CC4000和CXXX中有些品種，它們的工作電壓有所差異，CC4000為3~18V、CXXX為7~15V。換用時要考慮到電源供電及負載能力問題。另外，對于那些封裝形式及管腳排列不同的CMOS集成電路，一般不能直接代換。如果需要換用，則應做一些相應的變換使兩者功能相同的引出端一一對應.
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