3.2.4CMOS电路的静电防护和锁定效应

3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应电路的静电防护和锁定效应1.静电防护静电防护 为了为了防止静电击穿防止静电击穿，在，在CMOS集成电路的集成电路的每个每个输入端输入端都设置了都设置了输入保护电路输入保护电路。2.锁定效应锁定效应 当当CMOS电路的输入端或输出端出现电路的输入端或输出端出现瞬时高压瞬时高压时，有可能使电路进入这样一种时，有可能使电路进入这样一种状态，即电源至电路公共端之间有很大的状态，即电源至电路公共端之间有很大的电流流过，输入端也失去了控制作用。电流流过，输入端也失去了控制作用。通过改进制造工艺，已经可以做到一通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不会发生，但还不能绝对避免。般情况下不会发生，但还不能绝对避免。3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数电路的电气特性和参数1.直流电气特性和参数直流电气特性和参数 也称静态特性，指电路处于也称静态特性，指电路处于稳定工作状态稳定工作状态下的电下的电压、电流特性，通常用一系列压、电流特性，通常用一系列电气参数电气参数来描述。来描述。(1)(1)输入高电平输入高电平输入高电平输入高电平V VIHIH和输入低电平和输入低电平和输入低电平和输入低电平V VILIL V VDDDD为为为为+5V+5V时，时，时，时，74HC74HC系列集成电路的系列集成电路的系列集成电路的系列集成电路的V VIH(minIH(min)约为约为约为约为3.5V3.5V，V VIL(maxIL(max)约为约为约为约为1.5V1.5V。(2)(2)输出高电平输出高电平输出高电平输出高电平V VOHOH和输出低电平和输出低电平和输出低电平和输出低电平V VOLOL V VDDDD为为为为+5V+5V时，时，时，时，74HC74HC系列集成电路的系列集成电路的系列集成电路的系列集成电路的V VOH(minOH(min)为为为为4.4V4.4V（当输出端（当输出端（当输出端（当输出端流出流出流出流出的负载电流为的负载电流为的负载电流为的负载电流为4mA4mA时），时），时），时），V VOL(maxOL(max)为为为为0.33V0.33V（当（当（当（当流入流入流入流入输出端的负载电流为输出端的负载电流为输出端的负载电流为输出端的负载电流为4mA4mA时）。时）。时）。时）。V VNHNHV VOH(minOH(min)V VIH(minIH(min)4.34.33.53.50.8V0.8V V VNLNLV VIL(maxIL(max)V VOL(maxOL(max)1.51.50.330.331.17V1.17V(4)(4)高电平输入电流高电平输入电流高电平输入电流高电平输入电流I IIHIH和低电平输入电流和低电平输入电流和低电平输入电流和低电平输入电流I IILIL I IIH(maxIH(max)和和和和 I IIL(maxIL(max)通常在通常在通常在通常在1 1 A A 以下。以下。以下。以下。(3)(3)噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限V VNHNH和和和和V VNLNL CMOS门电路的多余输入端不能悬空。可以与有用端门电路的多余输入端不能悬空。可以与有用端并联，也可以按逻辑功能接并联，也可以按逻辑功能接VDD或地。或地。(5)(5)高电平输出电流高电平输出电流高电平输出电流高电平输出电流I IOHOH和低电平输出电流和低电平输出电流和低电平输出电流和低电平输出电流I IOLOL 为了保证为了保证为了保证为了保证V VOHOHVVOHOH（minmin）、V VOLOLVVOLOL（maxmax），分别规，分别规，分别规，分别规定了高电平输出电流的最大值定了高电平输出电流的最大值定了高电平输出电流的最大值定了高电平输出电流的最大值I IOHOH（maxmax）和和和和电平输出电流电平输出电流电平输出电流电平输出电流的最大值的最大值的最大值的最大值I I I IOLOLOLOL（maxmaxmaxmax）。在在在在74HC74HC系列电路中，当系列电路中，当系列电路中，当系列电路中，当V VDDDD5V5V时，时，时，时，R RON(N)ON(N)不大于不大于不大于不大于5050，而，而，而，而R RON(pON(p)在在在在100100 以内。以内。特别禁止输出端直接与电源或地相连特别禁止输出端直接与电源或地相连2.开关电气特性和参数开关电气特性和参数 也称也称动态特性动态特性，是指电路在，是指电路在状态转换过程状态转换过程中的电压、中的电压、电流特性。电流特性。(1)传输延迟时间传输延迟时间tpd tpd=(tpHL+tpLH)/2 CL越小越有利于减小越小越有利于减小tpd和改善输出电压波形。和改善输出电压波形。在在CL50pF的条件下，的条件下，74HC04的传输延迟时间的传输延迟时间tpd约为约为9ns。(2)(2)动态功耗动态功耗动态功耗动态功耗3.各种系列各种系列CMOS数字集成电路的性能比较数字集成电路的性能比较 4000系列：工作电压范围比较宽（系列：工作电压范围比较宽（318V），但存在着传），但存在着传输延迟时间长（输延迟时间长（60100ns）、负载能力弱的缺点。）、负载能力弱的缺点。HC/HCT系列是高速系列是高速CMOS逻辑系列的简称。当逻辑系列的简称。当VDD=5V时，时，tpd=10ns；输出高、低电平时的最大负载电流达；输出高、低电平时的最大负载电流达4mA。HC系列和系列和HCT系列的区别在于：系列的区别在于：HC系列的工作电压范围系列的工作电压范围较宽（较宽（26V），但它的输入、输出电平和负载能力不能和），但它的输入、输出电平和负载能力不能和TTL电路兼容，适用于单纯由电路兼容，适用于单纯由CMOS器件组成的系统中。而器件组成的系统中。而HCT系系列一般仅工作在列一般仅工作在5V电源电压下，在输入、输出电平和负载能力电源电压下，在输入、输出电平和负载能力上均可与上均可与TTL电路兼容，适用于由电路兼容，适用于由CMOS与与TTL混合的系统中。混合的系统中。AHC/AHCT系列是改进的高速系列是改进的高速CMOS逻辑系列的简称。当逻辑系列的简称。当VDD=5V时，时，tpd=3ns左右；输出高、低电平时的最大负载电流左右；输出高、低电平时的最大负载电流达达8mA。LVC是低压是低压CMOS逻辑系列的简称。工作电源电压为逻辑系列的简称。工作电源电压为（1.653.6V）；当）；当VDD=5V时，时，tpd=3.8ns；输出高、低电平；输出高、低电平时的最大负载电流达时的最大负载电流达24mA。ALVC系列是改进的系列是改进的LVC逻辑系列的简称。性能更加优越。逻辑系列的简称。性能更加优越。在诸多系列的在诸多系列的CMOS电路产品中，只要产品型号最后的数电路产品中，只要产品型号最后的数字相同，则它们的逻辑功能就是一样的；但它们的电气性能和字相同，则它们的逻辑功能就是一样的；但它们的电气性能和参数就各不相同了。参数就各不相同了。型号开头的型号开头的“74”或或“54”是是TI公司产品的标志。公司产品的标志。74民用产品，工作环境温度为民用产品，工作环境温度为-40850C54 军用产品，工作环境温度为军用产品，工作环境温度为-551250C二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路双极型二极管的开关特性和二极管门电路3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性双极型半导体二极管和三极管的开关特性二极管二极管与与门门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0.3V0.3V1.0V0.3V4.0V1.0V4.0V0.3V1.0V4.0V4.0V4.7VABY000010100111规定规定4V以上为以上为11V以下为以下为0二极管二极管或或门门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0.3V0.3V0V0.3V4.0V3.3V4.0V0.3V3.3V4.0V4.0V3.3VABY000011101111规定规定3.3V以上为以上为10.3V以下为以下为0二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点电平有偏移电平有偏移带负载能力差带负载能力差只用于只用于IC内部电路内部电路3.3.2 双极型的三极管双极型的三极管的开关特性的开关特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路极之间近似于开路,vI=0V时时:vI=5V时时:,vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路极之间近似于短路 iB iCICS很小，很小，约为约为数数百欧，相当于百欧，相当于开关开关闭闭合合可可变变 很大，很大，约为约为数百千欧，相数百千欧，相当于开关断开当于开关断开 c、e间间等等效内阻效内阻uCE=VCES 0.2 VuCEVCCiCRcuCE VCC管管压压降降 且不随且不随iB增加增加而增加而增加ic iBiC 0集集电电极极电电流流 发发射射结结和集和集电结电结均均为为正偏正偏 发发射射结结正偏，正偏，集集电结电结反偏反偏 发发射射结结和集和集电结电结均均为为反偏反偏偏置情况偏置情况工工作作特特点点uBEVTHiB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状工作状态态三极管的开关条件三极管的开关条件 0 iB 三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路输出级输出级由由T3、D2、T4和和R4构成构成推拉式推拉式的输出的输出级。用于提高开关级。用于提高开关速度和带负载能力。速度和带负载能力。中间级中间级由由T2和电阻和电阻R2、R3组成，从组成，从T2的集电结和发射极的集电结和发射极同时同时输出输出两个相位两个相位相反相反的信号，作为的信号，作为T T3 3和和T T4 4输出级的驱输出级的驱动信号；动信号；3.4.1 TTL反相器反相器1.1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理输入级输入级由由T1和电阻和电阻R1组成。组成。D1可以防可以防止输入端出现过大止输入端出现过大的负电压。的负电压。3.4 TTL门电路门电路（1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（I I =0.2 V）T1 深度饱和深度饱和截止截止导通导通导通导通截止截止饱和低电平低电平T3D2T4T2T T1 1输入输入高电平高电平输出输出T2、T4截止，截止，T3、D2导通导通（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（I=3.6 V）T2、T4饱和导通饱和导通 T1:倒置状态。倒置状态。T3和和D2截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=VCES4=0.2V饱和饱和截止截止截止截止饱和饱和倒置倒置高电平高电平T3D2T4T2T T1 1输入输入低电平低电平输出输出电压传输特性电压传输特性把电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压。把电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压。把电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压。把电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压。阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压V VTHTH约为约为约为约为1.4V1.4V小小 结结掌握掌握TTLTTL非门电路的逻辑功能分析。非门电路的逻辑功能分析。掌握掌握CMOSCMOS门电路的性能参数及意义。门电路的性能参数及意义。