集成电路应用3知识讲解

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• 从其他电子装置向CMOS电路输入信号时,
为保险起见,可在CMOS输入端加限流电阻
(K级或百)。
• 在输出端加限流电阻基于同样原因 • 当电源电压VDD≤5V时,限流电阻可以省略
• 对于有效的电源去耦,去耦电容器对最小
的电压变化必须提供电流尖峰在持续时间 所需要的电荷。可由下式确定去耦电容器 的近似值。
入和输出完全兼容,不需要任何接口电路,可以直接连接。 又由于两者的输入电流都很小,都不存在扇出限制的问题。
• 3、高速CMOS与NMOS器件接口
• 高速CMOS集成电路的速度与LSTTL电路相仿,因而在以
NMOS工艺制作的微处理器、存储器以及其他大规模集成 电路的系统中,高速CMOS可能取代双极型外围电路,就 会出现高速CMOS与NMOS器件的接口问题。对于微处理 器和存储器等大规模集成电路,目前还没有确定的输入、 输出规范,大多数采用TTL的规范,因此高速CMOS和 NMOS器件接口时可产参考高速CMOS与TTL接口原则。和 CMOS器件一样,NMOS器件的输入电流也很小,当用高 速CMOS输出驱动NMOS时也没有扇动能力的限制。
开关延时会在组合结果中产生不希望有的杂波干扰,以致引起误动作。(组
温度影响
• 温度升高对CMOS电路有害无益。不但性能
指标下降;安全指标同样下降。
• 必须采取有力措施降低设备温度。 • 散热措施可以看出产品设计的精密程度与
成本投入。
CMOS集成电路的接口
• 高速CMOS与LSTTL集成电路在速度、逻辑功能、管脚排
• 在上述连接时有一种特殊情况,就是TTL电
路工作在5V,74HC电路工作在3V。由于3V 工作的高速CMOS集成电路的输入和输出是 与5V工作的TTL的电路兼容的,这时两种电 路可以直接进行接口
• 2、高速CMOS与4000系列电路接口
• 4000系列CMOS电路有很宽的电源电压范围,为
3~18V。这时讨论的是指4000系列CMOS电路在 高于74HC电源电压下工作时与高速CMOS接口的 问题。
低于5V的电压下工作时(例如4V),与工作于5V 的LSTTL的电源电压就不同。在这种情况下,当 LSTTL输出驱动74HC器件的输入时,就要使用逻 辑电平变换电路74HC4049和4050,它们在低电 源电压下将高电压转换成低电压,接口电路如图 2-23所示。
图2-23 LSTTL至低压HCMOS
地线处理
图 在印刷板上接地
• 应避免使用如图的跳线把器件的地线或VDD
管脚连接到印刷电路板,因为连线电感会 在输出端之间产生耦合。一个稳妥的解决 办法是用多层印刷电路板,可以用单独的 一层作为VDD面或GND面,使电源可以直接 接到集成电路的电源脚。在VDD层和GND层 之间固有的电容将会降低高频噪声的振幅, 这种电容耦合具有不存在电感效应的明显 优点,其作用像一个分立的去耦电容器。
线辐射形式产生干扰。应同时采用隔离屏蔽,采用绞合线或屏蔽线作为连接 线。
• (8)避免输入线与输出线平行、靠近,连线尽量短。 • (9)注意地线布局,尽量采用多根地线将各部分分别独立连接至一点电源低
阻接地点(即一点接地法),尤其是大电流接地线更必须单独引至电源滤波 去耦接地点。
• (10)设计组合逻辑电路时,应注意组合各路信号的各自开关延时。不同的
• 1、采取抗干扰措施 • (1)实际所需工作速度不高(如机电控制等应用),可在输入端、输出端各
加接地积分电容器50~200pF,降低开关速度,低速低频工作还有利于减小 耗电。
• (2)输入端并接电阻1MΩ以下来降低输入阻抗,该电阻值越小则抗电磁干扰
性越高。
• (3)强化电源去耦,去耦电容器用钽电容器或钛电容器等。 • (4)消除机械开关、继电器抖动产生的振荡振铃干扰,采取屏蔽隔离、远距
第三章 CMOS集成电路使用特点
• 由于CMOS电路抗浪涌电压和大电流冲击的
能力较TTL电路为低;输入端具有高阻抗; 阈值电平与TTL电路不同等特点
• 基于上述几点原因,在应用CMOS集成电路
时,电路设计应注意以下几个方面的问题:
• 输入端和输出端保护;电源;线路板设计;
抗干扰与抗静电;温度;与TTL电路的接口 等
离安装等措施。
• (5)输入级加接施密特整形电路,可去除振幅不太大的干扰。有些CMOS
IC输入内部没有施密特整形电路,就不宜直接输入变化过慢的波形,否则不 仅输入级功耗电流增大,而且在电平过渡区易受小幅度脉冲干扰。
• (6)电源进线安装滤波器,却除通过电源线串入的干扰。 • (7)远离大电流机械开关接点,这类接点常会产生强大的干扰脉冲,常以无
• 逻辑器件接口时主要应注意电平匹配和扇出能力两个问题,
但是这两者都必须与器件的电源电压结合起来考虑才有意 义。因此通常根据器件工作的电源电压把逻辑接口分为两 类:电源电压相同的接口和电源电压不同的接口。
一、电源电压相同的接口
• 1、高速CMOS与TTL的接口 • 高速CMOS集成电路的HC型,其工作电源电压为
电平不匹配(不必考虑扇出能力)。为了 用TTL输出驱动74HC输入,有两种解决方 法:
A. 在TTL输出端与VCC之间加接上拉电阻, 如图2-29所示。这样可以使TTL的输出高 电平升高到接近电源电压,以实现与 74HC电路兼容。电阻值要由下式求出:
Rmin IoV (lC LC m S inT V )oT m lna(L Ix Lil(7SH 4T) )T CL
CMOS和TTL的接口器件使用。HCT型的输入结构 和HC型有一些差别,两者的输入电平范围也不同。 当电源电压为5V时,HCT器件输入高电平的最小 值为2V,输入低电平最大值为0.8V,与TTL输出 电平完全兼容,因此TTL输出可以直接和HCT器件 的输入连接而不需要外接上拉电阻,然后再由 HCT器件的输出驱动HC器件的输入,如图2-21所 示。
n Iolma(x74HC) 10 Iilma(xLSTT) L
• 74HC标准电路的输出可驱动10个LSTTL负
载,总线驱动器可驱动15个LSTTL负载。如 果需要更大的扇出,可以用几个门并联使 用。
HCCMOS 并联输出
N个LSTTL负载
• 2、高速CMOS与4000系列CMOS电路接口
• 由于这两个系列都是CMOS电路,在使用同一电源时,输
列和扇出等许多方面的一致性,使高速CMOS集成电路成 为LSTTL最佳的代用品。高速CMOS逻辑系列的问世也给 电子系统设计人员提供了更大的选择余地,可以根据系统 设计的需要,从速度、复杂性和功能等方面选择某一种合 适的逻辑系列,或者从几种逻辑系列中取出最好的器件, 再把它们组装在一起。在这种不同逻辑系列器件混合使用 的系统中,就会出现不同逻辑系列的接口问题。因此,高 速CMOS集成电路与其他逻辑系列接口或者与非标准电平 接口,就成为应用中一个重要的问题。
TTL、CMOS电路的输入、输出特性参数
• HC型高速CMOS集成电路的输入高、低电平
范围为电源电压的30%。当VCC=5V时,其 高电平输入范围为3.5~5V,低电平输入范 围为0~1.5V。
• 这里讨论的TTL输出驱动高速CMOS是指HC
型,驱动HCT型器件的情况将在后面介绍。 将TTL的输出电平范围和74HC的输入电平 范围进行比较,可以看出低电平匹配而高
CdIdVt(尖峰电 (流 允 () 许 尖下 峰降 信时 号间 保) 持时间
• 最小的去耦电容取决于可能允许的电压尖
峰脉冲,通常限制在400mV。
• 用陶瓷电容器去耦是最理想的,因为它的
串联电感非常低。
线路板设计(一)
• 1、电源分配
• 电源分配网络的印刷电路板上必须有良好的接地
线,通常使用的梳形地线可能产生问题。在图2-7 中,IC1的输出端驱动IC2的输入端,IC3的输出端 驱动IC4的输入端,两个驱动电路没有耦合,相互 之间应该不存在串音。但是由于IC1和IC3共同地 线(图中画斜线的区域),当IC1的输出状态转换 时,在IC3的地线上可能产生尖峰信号。该尖峰信 号经过IC3和IC4的信号连接传输到IC4,使IC4的 输出产生错误的转换。
二、电源电压不同的接口
• 在很多情况下,需要将工作在不同电源电
压下的几种集成电路进行接口,这时必须 有电平转换电路实现电平由低到高或高到 低的转换。下面讨论几种常用的情况。
• TTL的工作电压总是在5V.而CMOS的工作电
压范围为:2-6V。
• 1、高速CMOS与LSTTL接口 • 74HC集成电路的电源电压范围为2~6V,当它在
2~6V,HCT型为5V,而TTL的电源电压也是5V, 因而两种系列可以在相同的5V电源电压下接口。 连接时,又可分为以下两种具体情况:
• (1)TTL输出驱动高速CMOS • 在电源电压为5V时,TTL输出高电平也不会超过
3.5V。如果在TTL的输出端有负载,或者晶体管 Q2的集电极有漏电,在电阻R1上将会产生压降, 使输出高电平降低。在最坏情况下标准TTL输出高 电平的 最小值为2.4V,LSTTL输出高电平的最小值为2.7V。 因此标准TTL输出高电平的范围为2.4~3.5V, LSTTL为2.7~3.5V。
线路板设计(二)
• 对于热插拔设备,CMOS电路要求:连接时
必须先接通电源后输入信号;断开时必须 先断开信号后断开电源。以防止CMOS电路 损坏。
VDD

据 信
插拔方向

GND
抗干扰与防静电
• 对于使用同样电源电压来说,CMOS的抗干扰容限电压范围比任何的IC都优。
但CMOS输入阻抗高,这是易接受电磁干扰的主要原因。因此,可采取如下措 施解决干扰故障,对任何IC应用也适用。
Vihmin=2V
• 可见这些电平是兼容的,高速CMOS可以直接驱动TTL。这
种接口的唯一限制是高速CMOS的扇出能力。如图2-22所 示,当LSTTL的输入为低电平时,从VCC通过R1和D2向高 速CMOS的输出电流为Iil,从表2-1可知LSTTL的
Iilmax=400μA,74HC标准电路的Iolmax=4mA,可求得 扇出数n为:
Rma x|nV IiC h(7 C mH 4ax V)iC h mIi(on7h (L H 4S)CT)|TL 图 LSTTL与HC器件接口
• 式中n是TTL驱动74HC的门数(扇动数)。
• B.用HCT型器件接口.HCT作为TTL和HC的接口
器件
• 开发74HCT型器件的目的之一是把它作为高速
• 这些问题有的是基于安全原因,有的是基
于信号处理或二者兼而有之。
输入端与输出端保护
• 输入端处理:(防浪涌与抗干扰) • 由于CMOS电路输入阻抗高,当输入端处于
悬空状态时,易受各种干扰信号的影响使 其输出端的逻辑状态不稳定,甚至会导致
可控硅效应的产生。因此,对不使用的输
入端要通过电阻(数十K)接地或接电源。
4104:低至 高电平变换器 4049/4050:高 至低电平变换 器
图2-25 高速CMOS与4000系列接口方法
ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 3、高速CMOS与ECL10K系列接口
• 为了实现高速CMOS与ECL10K系列接口,要采用
10124—ECL转换器实现从ECL输出到高速CMOS输 入的连接,用10125—TTL转换器将CMOS输出连 接至ECL的输入端,接口电路如图2-26所示。要注 意这两种转换器是以TTL电平工作的,当用10125 对74HC型电路接口时,必须使用上拉电阻R1才能 达到由TTL驱动HC器件的电平要求。
• (1)高速CMOS输出驱动4000CMOS输入
• 如图2-25(a)所示,使用HEF4104B低至高电平
变换器接口。
• (2)4000系列CMOS输出驱动高速CMOS输入一
种接口电路如图2-25(b)所示,采用4049/4050 或74HC4049/4050实现4000系列CMOS系列与高 速CMOS器件接口。由于高速CMOS有高输入阻抗, 另一种接口方法是采用图2-25(c)所示的电阻分 压器实现高至低电平转换。当然,电阻分压器要 消耗一些功率。
• 用HCT器件接口避免了上拉电阻的缺点,是TTL与
HC器件接口的最佳选择。
• (2)高速CMOS输出驱动TTL输入
• 在5V电源电压下,74HC/HCT的输出电平和LSTTL的输入
电平如下:
• 74HC/HCT (输出)
LSTTL(输入)
• Volmax=0.1V
Vilmax=0.8V
• Vohmin=4.9V
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