3.2.4 CMOS 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1. 静电防护 为了防止静电击穿，在 CMOS 集成电路的每个输入端都设置了输入保护电路。

2. 锁定效应 当 CMOS 电路的输入端或输出端出现瞬时高压时，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1. 直流电气特性和参数 也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电压、电流特性，通常用一系列电气参数来描述。

(1) (1) 输入高电平输入高电平 VVIHIH 和输入低电平和输入低电平 VVILIL

VVDDDD 为为 +5V+5V 时，时， 74HC74HC 系列集成电路的系列集成电路的 VVIH(min)IH(min) 约为约为 3.5V3.5V ，， VVIL(max)IL(max) 约为约为 1.5V1.5V 。。

(2) (2) 输出高电平输出高电平 VVOHOH 和输出低电平和输出低电平 VVOLOL

VVDDDD 为为 +5V+5V 时，时， 74HC74HC 系列集成电路的系列集成电路的 VVOH(min)OH(min) 为为 4.4V4.4V（当输出端（当输出端流出流出的负载电流为的负载电流为－－ 4mA4mA 时），时）， VVOL(max)OL(max) 为为 0.30.33V3V （当（当流入流入输出端的负载电流为输出端的负载电流为 4mA4mA 时）。时）。

VVNHNH ＝＝ VVOH(min)OH(min) － － VVIH(min)IH(min)

＝＝ 4.34.3 －－ 3.53.5 ＝＝ 0.8V0.8V VVNLNL ＝＝ VVIL(max)IL(max) － － VVOL(max)OL(max)

＝＝ 1.51.5 －－ 0.330.33 ＝＝ 1.17V1.17V

(4) (4) 高电平输入电流高电平输入电流 IIIHIH 和低电平输入电流和低电平输入电流 IIILIL

IIIH(max)IH(max) 和 和 IIIL(max)IL(max) 通常在通常在 11μμA A 以下。以下。

(3) (3) 噪声容限噪声容限 VVNHNH 和和 VVNLNL

CMOS 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 VDD 或地。

(5) (5) 高电平输出电流高电平输出电流 IIOHOH 和低电平输出电流和低电平输出电流 IIOLOL

为了保证为了保证 VVOHOH≥V≥VOHOH （（ minmin ））、、 VVOLOL≤V≤VOLOL （（ maxmax ）），，分别规定了高电平输出电流的最大值分别规定了高电平输出电流的最大值 IIOHOH （（ maxmax ））和电平和电平输出电流的最大值输出电流的最大值 IIOLOL （（ maxmax ））。。在在 74HC74HC 系列电路中，系列电路中，当当 VVDDDD ＝＝ 5V5V 时，时， RRON(N)ON(N) 不大于不大于 5050ΩΩ ，而，而 RRON(p)ON(p) 在在100100ΩΩ 以内。

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 也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、电流特性。(1) 传输延迟时间 tpd

fVCC

）：P；、C：PPPP TLL2

DDpdL

TLD

)(

(

瞬变功耗放电产生的功耗充

tpd=(tpHL+tpLH)/2 CL 越小越有利于减小 tpd 和改善输出电压波形。在 CL ＝ 50pF 的条件下， 74HC04 的传输延迟时间 tpd 约为 9ns 。

(2) (2) 动态功耗动态功耗

3. 各种系列 CMOS 数字集成电路的性能比较 4000 系列：工作电压范围比较宽（ 3~18V ），但存在着传输延迟时间长（ 60~100ns ）、负载能力弱的缺点。 HC/HCT 系列是高速 CMOS 逻辑系列的简称。当 VDD=5V时， tpd=10ns ；输出高、低电平时的最大负载电流达 4mA 。 HC 系列和 HCT 系列的区别在于： HC 系列的工作电压范围较宽（ 2~6V ），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 CMOS 器件组成的系统中。而 HCT 系列一般仅工作在 5V 电源电压下，在输入、输出电平和负载能力上均可与 TTL 电路兼容，适用于由 CMOS 与 TTL 混合的系统中。 AHC/AHCT 系列是改进的高速 CMOS 逻辑系列的简称。当 VDD=5V 时， tpd=3ns 左右；输出高、低电平时的最大负载电流达 8mA 。

LVC 是低压 CMOS 逻辑系列的简称。工作电源电压为（ 1.65~3.6V ）；当 VDD=5V 时， tpd=3.8ns ；输出高、低电平时的最大负载电流达 24mA 。 ALVC 系列是改进的 LVC 逻辑系列的简称。性能更加优越。 在诸多系列的 CMOS 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参数就各不相同了。 型号开头的“ 74” 或“ 54” 是 TI 公司产品的标志。74—— 民用产品，工作环境温度为 -40~850C

54 —— 军用产品，工作环境温度为 -55~1250C

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

3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性

二极管与门设 VCC = 5V加到 A,B 的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时 VDF=0.7V

A B Y0.3V 0.3V 1.0V0.3V 4.0V 1.0V4.0V 0.3V 1.0V4.0V 4.0V 4.7V

A B Y0 0 00 1 01 0 01 1 1

规定 4V 以上为1

1V 以下为 0

二极管或门设 VCC = 5V加到 A,B 的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时 VDF=0.7V

A B Y0.3V 0.3V 0V0.3V 4.0V 3.3V4.0V 0.3V 3.3V4.0V 4.0V 3.3V

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1

规定 3.3V 以上为 1

0.3V 以下为 0

二极管构成的门电路的缺点• 电平有偏移• 带负载能力差

•只用于 IC 内部电路

3.3.2 双极型的三极管的开关特性

iB0 ， iC0 ， vO ＝ VCE≈VCC ， c 、 e 极之间近似于开路 ,vI=0V 时 :

vI=5V 时 : , vO ＝ VCE≈0.2V ， c 、 e 极之间近似于短路 iB >CSI

iC ＝ ICS≈VRCC

c

很小，约为数百欧，相当于开关闭合可变 很大，约为数百千欧，相当于开关断开 c、 e间等效内阻

uCE =VCES≈ 0.2 VuCE＝ VCC－ iCRc

uCE ≈ VCC管压降

且不随 iB增加而增加ic ≈ iBiC ≈ 0集电极电流

发射结和集电结均为正偏 发射结正偏，集电结反偏 发射结和集电结均为反偏偏置情况

工作特点

uBE<VTH

iB≈0条件 饱 和 放 大 截 止工作状态

三极管的开关条件 0 < iB <

CSI

iB >CSI

三极管的开关等效电路

输出级由 T3 、 D2 、 T4 和R4 构成推拉式的输出级。用于提高开关速度和带负载能力。

中间级由 T2 和电阻 R2 、 R3 组成，从 T2 的集电结和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为 T3 和 T4 输出级的驱动信号；

3.4.1 TTL 反相器1. 电路结构和工作原理

输入级由 T1 和电阻 R1 组成。 D1 可以防止输入端出现过大的负电压。

3.4 TTL 门电路

（ 1）当输入为低电平（ I = 0.2 V ）

mA 0251 1

B1CCB1 .

RvV

i

0 BS1 I BS1B1 Ii

T1 深度饱和

截止 导通 导通截止饱和低电平T3D2T4T2T1输入

高电平输出

T2 、 T4 截止， T3 、 D2导通 V 3.6V )7.07.05(

22 DBE3O

vvvVv RCC

（ 2 ）当输入为高电平（ I = 3.6 V ）

T2 、 T4 饱和导通 T1: 倒置状态。

T3 和 D2 截止。使输出为低电平 .

vO=VCES4=0.2V

饱和 截止 截止饱和倒置高电平T3D2T4T2T1输入

低电平输出

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。阈值电压阈值电压 VVTHTH 约为约为 1.4V1.4V

小 结

掌握 TTL 非门电路的逻辑功能分析。 掌握 CMOS 门电路的性能参数及意义。