CMOS集成电路应用常识

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CMOS集成电路应用常识
         电路的极限范围。
　　表1列出了CMOS集成电路的一般参数，表2列出了CMOS集成电路的极限参数。CMOS集成电路在使用过程中是不允许在超过极限的条件下工作的。当电路在超过最大额定值条件下工作时，很容易造成电路损坏，或者使电路不能正常工作。
　　表1  CMOS集成电路（CC4000系列）的一般参数表
参数名称        符号        单位        电源电压VDD（V）        参数
                                最大值        最小值
静态功耗电流        IDD        uA        5                  0.25
                        10                  0.50
                        15                  1.00
输入电流        II        uA        18                  ±0.1
输出低电平电流        IOL        mA        5        0.51         
                        10        1.3         
                        15        3.4         
输出高电平电流        IOH        mA        5        -0.51         
                        10        -1.3         
                        15        -3.4         
输入逻辑低点平电压        VIL        V        5                  1.5
                        10                  3
                        15                  4
输入逻辑高电平电压        VIH        V        5        3.5         
                        10        7         
                        15        11         
输出逻辑低点平电压        VOL        V        5                  0.05
                        10                  0.05
                        15                  0.05
　　表2  CMOS集成电路（CC4000系列）的极限参数表
参数名称        符号        极限值
最高直流电源电压        VDD（max）        +18V
最低直流电源电压        VSS（min）        -0.5V
最高输入电压        VI（max）        VDD+0.5V
最低输入电压        VI（min）        -0.5V
最大直流输入电流        II（max）        ±10mA
储存温度范围        TS        -65℃~+100℃
工作温度范围        （1）陶瓷扁平封装        TA        -55℃~+100℃
        （2）陶瓷双列直插封装                -55℃~+125℃
        （3）塑料双列直插封装                -40℃~+85℃
最大允许功耗        （1）陶瓷扁平封装TA=-55℃~+100℃        PM        200mW
        （2）陶瓷双列直插封装
TA=-55℃~+100℃
TA=+100℃~+250℃                 
500mW;
200mW
        （3）塑料双列直插封装
TA=-55℃~+60℃
TA=+60℃~+85℃                 
500mW;
200mW
外引线焊接温度（离封装根部1.59±0.97mm处焊接，设定焊接时间为10S）        TL        +265℃
    应当指出的是：CMOS集成电路虽然允许处于极限条件下工作，但此时对电源设备应采取稳压措施。这是因为当供电电源开启或关闭时，电源上脉冲波的幅度很可能超过极限值，会将电路中各MOS晶体管电极之间击穿。上述现象有时并不呈现电路失效或损坏现象，但有可能缩短电路的使用寿命，或者在芯片内部留下隐患，使电路的性能指标逐渐变劣。
         工作电压、极性及其正确选择。
　　在使用CMOS集成电路时，工作电压的极性必须正确无误，如果颠倒错位，在电路的正负电源引出端或其他有关功能端上，只要出现大于0.5V的反极性电压，就会造成电路的永久失效。
　　虽然CMOS集成电路的工作电压范围很宽，如CC4000系列电路在3~18V的电源电压范围内都能正常工作，当使用时应充分考虑以下几点：
1.         输出电压幅度的考虑。
　　电路工作时，所选取的电源工作电压高低与电路输出电压幅度大小密切相关。由于CMOS集成电路输出电压幅度接近于电路的工作电压值，因此供给电路的正负工作电压范围可略大于电路要求输出的电压幅度。
2.         电路工作速度的考虑。
　　CMOS集成电路的工作电压选择，直接影响电路的工作速度。对CMOS集成电路提出的工作速度或工作频率指标要求往往是选择电路工作电压的因素。如果降低CMOS集成电路的工作电压，必将降低电路的速度或频率指标。
3.         输入信号大小的考虑。
　　工作电压将限制CMOS集成电路的输入信号的摆幅，对于CMOS集成电路来说，除非对流经电路输入端保护二极管的电流施加限流控制，输入电路的信号摆幅一般不能超过供给电压范围，否则将会导致电路的损坏。
4.         电路功耗的限制。
　　CMOS集成电路所选取的工作电压愈高，则功耗就愈大。但由于CMOS集成电路功耗极小，所以在系统设计中，功耗并不是主要考虑的设计指标。
         输入和输出端使用规则。
1.         输入端的保护方法。
　　在CMOS集成电路的使用中，要求输入信号幅度不能超过VDD—VSS。输入信号电流绝对值应小于10mA。如果输入端接有较大的电容C时，应加保护电阻R，如附图1所示。R的阻值约为几十欧姆至几十千欧姆。
　　
2.         多余输入端的处置。
          CMOS集成电路多余输入端的处置比较简单，下面以或门及与门为例进行说明。如附图2所示，或门（或非门）的多余输入端应接至VSS端；与门（与非门）的多余输入端应接至VDD端。当电源稳定性差或外界干扰较大时，多余输入端一般不直接与电源（地）相连，而是通过一个电阻再与电源（地）相连，如图3所示，R的阻值约为几百千欧姆。
　　
　　另外，采用输入端并联的方法来处理多余的输入端也是可行的。但这种方法只能在电路工作速度不高，功耗不大的情况下使用。
3.         多余门的处置。
          CMOS集成电路在一般使用中，可将多余门的输入端接VDD或VSS，而输出端可悬空不管。当用CMOS集成电路来驱动较大输入电流的元器件时，可将多余门按逻辑功能并联使用。
4.         输出端的使用方法。
    在高速数字系统中，负载的输入电容将直接影响信号的传输速度，在这种情况下，CMOS集成电路的扇出系数一般取为10~20。此时，如果输出能力不足，通常的解决方法是选用驱动能力较强的缓冲器（如四同相/反相缓冲器CC4041），以增强输出端吸收电流的能力。
         寄生可控硅效应的防护措施。
　　由于CMOS集成电路的互补特点，造成了在电路内部有一个寄生的可控硅（VS）效应。
　　当CMOS集成电路受到某种意外因素激发，如电感、电火花，在电源上引起的噪声往往要超过CMOS集成电路的击穿电压（约25V）。这时，集成电路的VDD端和VSS端之间会出现一种低阻状态，电源电压突然降低，电流突然增加，如果电源没有限流措施，就会把电路内部连接VDD或VSS的铝线烧断，造成电路永久性损坏。
　　如果电源有一定的限流措施（例如电源电流限在250mA以内），在出现大电流、低电压状态时，及时关断电源，就能保证电路安全无损。重新打开电源，电路仍能正常工作。
　　简单的限流方法是用电阻和稳压管进行限流，如附图1所示。图中稳压管的击穿电压就是CMOS集成电路的工作电压，电阻用来限流，电容用来提供电路翻转时所需的瞬态电流。
　　
　　寄生VS造成损坏的电路用万用表电阻挡就可判断。正常电路，VDD—VSS之间有二极管特性：VS烧毁的电路，VDD~VSS之间呈开路状态。
　　在系统中，被损坏的电路如果加交流信号，其输出电平范围很窄，既高电平不到VDD，低电平不到VSS，而且不能驱动负载。
　　正常的CMOS集成电路用JT-1晶体管特性测试仪测量，能得到如图2所示的击穿特性曲线。测试方法：VDD接正电源，VSS接地，所有的输入端接VDD或VSS，测量集成电路的击穿特性。