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CMOS邏輯電路特點及使用

發布時間:2011/9/6 11:38:17 訪問次數:3265

  (一)CMOS邏輯電路特點  

    ①工作速度比TTL稍低。這是因為其導通電阻及輸入電容均比TTL大。由于制造工藝不斷改進,目前CMOS門的速度已非常接近TTL門。    
    ②輸入阻抗高,可達l08Ω。因為柵極絕緣,所以其輸入阻抗只受輸入端保護二極管的反向電流的限制。
    ③扇出系數NO大。NO的定義是其輸出端可連接的同類門的輸入端數。由于CMOS門的輸入端均是絕緣柵極,當它作負載門時,幾乎不向前級門吸取電流,因此在頻率不太高時,前級門的扇出系數幾乎不受限制。當頻率升高時,NO有所減小。一般NO=50。
    ④靜態功耗小。在靜態時,總是負載管和驅動管之一導通,另一個截止,因而幾乎不向電源吸取電流,故其靜態功耗極小。當VDD=5V時,其靜態功耗為2.5~5μW。
    ⑤集成度高。因為其功耗小,內部發熱量小,。因而其集成密度可大大提高。
    ⑥電源電壓允許范圍大,約為3~20V。不同的產品系列,VDD的取值范圍略有差別。
    ⑦輸出高低電平擺幅大。因為UoH≈VDD,UoL≈0V,所以輸出電平擺幅△Uo=UoH-UoL≈VDD。而TTL的擺幅只有3V左右。
    ⑧抗干擾能力強。其噪聲容限可達1/3VDD,而TTL的噪聲容限只有0.4V左右。
    ⑨溫度穩定性好。由于是互補對稱結構,當環境溫度變化時,其參數有補償作用。另外MOS管靠多數載流子導電,受溫度的影響不大。
    ⑩抗輻射能力強。MOS管靠多數載流子導電。射線輻射對多數載流子濃度影響不大。所以CMOS電路特別適用于航天、衛星及核能裝置中。
    ⑥電路結構簡單(CMOS與非門只有四個管子構成,而TTL與非門共有五個管子和五個電阻),工藝容易(做一個MOS管要比做一個電阻更容易,而且占芯片面積小),故成本低。
    ◎輸入高電平UiH和低電平UiL均受電源電壓VDD的限制。規定:UiH≥0.7VDD,UiL≤0.3VDD。例如,當VDD=5V時,UiHmin=3.5V,UiLmax=1.5V。其中,UiHmin和UiLmax是允許的極限值。不同類型的CMOS門,UiH和UiL所選用的典型值各不相同,但都必須在上述限定范圍內。
    ⑧拉電流IoL<5mA,要比TTL門的IoL(可達20mA)小得多。CMOS邏輯門的參數定義與TTL門相同,但數值差別較大。CMOS各系列的主要參數如表11-10所示。

     
  
  表中括號內的電壓值是測試對應參數時的電源電壓VDD

      4000B系列是4000系列的標準型。它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構,由美國無線電公司(RCA公司)最先開發。
    74C××系列的功能及管腳設置均與TTL74系列相同,它有若干子系列。
    74HC××系列是高速系列。74HCT××系列是高速并且與TTL兼容的系列。
    74AC××系列是新型高速系列。74ACT××系列是新型高速并且與TTL兼容的系列。

   (二)正確使用CMOS電路


    (1)輸入電路的靜電防護
    雖然在CMOS電路的輸入端已經設置了保護電路,但由于保護二極管和限流電阻的幾何尺寸有限,它們所能承受的靜電電壓和脈沖功率均有一定的限度。
    CMOS集成電路在儲存、運輸、組裝和調試過程中,難免會接觸到某些帶靜電高壓的物體。例如工作人員如果穿的是由容易產生靜電的織物制成的衣褲,則這些服裝摩擦時產生的靜電電壓有時可高達數千伏。假如將這個靜電電壓加到CMOS電路的輸入端,將足以將
電路損壞。
    為防止由靜電電壓造成的損壞,應注意以下幾點。
    ①在儲存和運輸CMOS器件時不要使用易產生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝,最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。
    ②組裝、調試時,應使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺臺面等良好接地。操作入員的服裝和手套等應選用無靜電的原料制作。
    ③不用的輸入端不應懸空。
    (2)輸入電路的過流保護
    由于輸入保護電路中的鉗位二極管電流容量有限,一般為1mA,所以在可能出現較大輸入電流的場合必須采取以下保護措施。
    ①輸入端接低內阻信號源時,應在輸入端與信號源之間串人保護電阻,保證輸入保護
電路中的二極管導通時電流不超過1mA。
    ②輸入端接有大電容時,亦應在輸入端與電容之間接人保護電阻,如圖11-19所示。
    在輸入端接有大電容的情況下,若電源電壓突然降低或關掉,則電容C上積存的電荷將通過保護二極管VD1放電,形成較大的瞬態電流。串進電阻RP以后,可以限制這個放電電流不超過1mA。RP的阻值可按RP=VDD/1mA計算。此處uc表示輸入端外接電容C上的電壓(單位V)。

                 


    ③輸入端接長線時,應在門電路的輸入端接人保護電阻RP,如圖11-20所示。
    因為長線上不可避免地伴生有分布電容和分布電感,所以當輸入信號發生突變時只要門電路的輸入阻抗與長線的阻抗不相匹配,則必然會在CMOS電路的輸入端產生附加的正、負振蕩脈沖。因此,需串人RP限流。根據經驗,RP的阻值可按RP=VDD/lmA計算。輸入端的長線長度大于lOm以后,長度每增加lOm,RP的阻值應增加lkΩ。

                               

  (一)CMOS邏輯電路特點  

    ①工作速度比TTL稍低。這是因為其導通電阻及輸入電容均比TTL大。由于制造工藝不斷改進,目前CMOS門的速度已非常接近TTL門。    
    ②輸入阻抗高,可達l08Ω。因為柵極絕緣,所以其輸入阻抗只受輸入端保護二極管的反向電流的限制。
    ③扇出系數NO大。NO的定義是其輸出端可連接的同類門的輸入端數。由于CMOS門的輸入端均是絕緣柵極,當它作負載門時,幾乎不向前級門吸取電流,因此在頻率不太高時,前級門的扇出系數幾乎不受限制。當頻率升高時,NO有所減小。一般NO=50。
    ④靜態功耗小。在靜態時,總是負載管和驅動管之一導通,另一個截止,因而幾乎不向電源吸取電流,故其靜態功耗極小。當VDD=5V時,其靜態功耗為2.5~5μW。
    ⑤集成度高。因為其功耗小,內部發熱量小,。因而其集成密度可大大提高。
    ⑥電源電壓允許范圍大,約為3~20V。不同的產品系列,VDD的取值范圍略有差別。
    ⑦輸出高低電平擺幅大。因為UoH≈VDD,UoL≈0V,所以輸出電平擺幅△Uo=UoH-UoL≈VDD。而TTL的擺幅只有3V左右。
    ⑧抗干擾能力強。其噪聲容限可達1/3VDD,而TTL的噪聲容限只有0.4V左右。
    ⑨溫度穩定性好。由于是互補對稱結構,當環境溫度變化時,其參數有補償作用。另外MOS管靠多數載流子導電,受溫度的影響不大。
    ⑩抗輻射能力強。MOS管靠多數載流子導電。射線輻射對多數載流子濃度影響不大。所以CMOS電路特別適用于航天、衛星及核能裝置中。
    ⑥電路結構簡單(CMOS與非門只有四個管子構成,而TTL與非門共有五個管子和五個電阻),工藝容易(做一個MOS管要比做一個電阻更容易,而且占芯片面積小),故成本低。
    ◎輸入高電平UiH和低電平UiL均受電源電壓VDD的限制。規定:UiH≥0.7VDD,UiL≤0.3VDD。例如,當VDD=5V時,UiHmin=3.5V,UiLmax=1.5V。其中,UiHmin和UiLmax是允許的極限值。不同類型的CMOS門,UiH和UiL所選用的典型值各不相同,但都必須在上述限定范圍內。
    ⑧拉電流IoL<5mA,要比TTL門的IoL(可達20mA)小得多。CMOS邏輯門的參數定義與TTL門相同,但數值差別較大。CMOS各系列的主要參數如表11-10所示。

     
  
  表中括號內的電壓值是測試對應參數時的電源電壓VDD

      4000B系列是4000系列的標準型。它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構,由美國無線電公司(RCA公司)最先開發。
    74C××系列的功能及管腳設置均與TTL74系列相同,它有若干子系列。
    74HC××系列是高速系列。74HCT××系列是高速并且與TTL兼容的系列。
    74AC××系列是新型高速系列。74ACT××系列是新型高速并且與TTL兼容的系列。

   (二)正確使用CMOS電路


    (1)輸入電路的靜電防護
    雖然在CMOS電路的輸入端已經設置了保護電路,但由于保護二極管和限流電阻的幾何尺寸有限,它們所能承受的靜電電壓和脈沖功率均有一定的限度。
    CMOS集成電路在儲存、運輸、組裝和調試過程中,難免會接觸到某些帶靜電高壓的物體。例如工作人員如果穿的是由容易產生靜電的織物制成的衣褲,則這些服裝摩擦時產生的靜電電壓有時可高達數千伏。假如將這個靜電電壓加到CMOS電路的輸入端,將足以將
電路損壞。
    為防止由靜電電壓造成的損壞,應注意以下幾點。
    ①在儲存和運輸CMOS器件時不要使用易產生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝,最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。
    ②組裝、調試時,應使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺臺面等良好接地。操作入員的服裝和手套等應選用無靜電的原料制作。
    ③不用的輸入端不應懸空。
    (2)輸入電路的過流保護
    由于輸入保護電路中的鉗位二極管電流容量有限,一般為1mA,所以在可能出現較大輸入電流的場合必須采取以下保護措施。
    ①輸入端接低內阻信號源時,應在輸入端與信號源之間串人保護電阻,保證輸入保護
電路中的二極管導通時電流不超過1mA。
    ②輸入端接有大電容時,亦應在輸入端與電容之間接人保護電阻,如圖11-19所示。
    在輸入端接有大電容的情況下,若電源電壓突然降低或關掉,則電容C上積存的電荷將通過保護二極管VD1放電,形成較大的瞬態電流。串進電阻RP以后,可以限制這個放電電流不超過1mA。RP的阻值可按RP=VDD/1mA計算。此處uc表示輸入端外接電容C上的電壓(單位V)。

                 


    ③輸入端接長線時,應在門電路的輸入端接人保護電阻RP,如圖11-20所示。
    因為長線上不可避免地伴生有分布電容和分布電感,所以當輸入信號發生突變時只要門電路的輸入阻抗與長線的阻抗不相匹配,則必然會在CMOS電路的輸入端產生附加的正、負振蕩脈沖。因此,需串人RP限流。根據經驗,RP的阻值可按RP=VDD/lmA計算。輸入端的長線長度大于lOm以后,長度每增加lOm,RP的阻值應增加lkΩ。

                               

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