為什么我的CMOS邏輯電路會(huì)燒壞

有些人可能認(rèn)為數(shù)字電路，特別是使用CMOS和BiCMOS的數(shù)字電路很容易設(shè)計(jì)。但就像生活中的大多數(shù)事情一樣，擁有多年經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人士讓工作看起來(lái)很容易！馬戲團(tuán)表演者毫不費(fèi)力地玩弄許多物品?；炷溜椕鏍I(yíng)造出光滑的表面，頂級(jí)廚師可快速制作美食?，F(xiàn)在回到電路設(shè)計(jì)。數(shù)字設(shè)計(jì)不就是將一些邏輯門(mén)串在一起嗎？

要是生活這么簡(jiǎn)單就好了。適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源管理、電源去耦和接地對(duì)于成功的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在本教程中，我們將討論CMOS和BiCMOS IC，并展示一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤 - 沒(méi)有V抄送——觸發(fā)奇怪的行為。我們將解釋為什么低功耗CMOS器件可能會(huì)很熱。最后，我們研究這與電路導(dǎo)通時(shí)間的關(guān)系。

請(qǐng)注意，我們不是在談?wù)撎囟ǖ膽?yīng)用程序或部件。本主題是 IC 設(shè)計(jì)中特有的，超越了任何特定的器件用途。這里的重點(diǎn)是細(xì)節(jié)，以及精心設(shè)計(jì)不會(huì)浪費(fèi)任何東西——空間、電流、功率，你能想到的——或者燒傷你的手！

熱門(mén)的CMOS/BiCMOS，或者為什么我在IC上燙傷了手指？

CMOS或BiCMOS的標(biāo)志之一是低功耗。CMOS柵極僅在轉(zhuǎn)換時(shí)消耗功率，因此這些電路在低速下運(yùn)行。

很好，但為什么董事會(huì)很熱？

圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的CMOS電路。它是互補(bǔ)的（N和P器件），（因此稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。它是一和零，如此簡(jiǎn)單。在任何給定時(shí)刻，一個(gè)設(shè)備打開(kāi)，另一個(gè)設(shè)備關(guān)閉?？赡艹霈F(xiàn)什么問(wèn)題？事實(shí)證明，有些條件會(huì)導(dǎo)致電路消耗大量功率。

圖1.典型的CMOS輸入電路。

當(dāng)CMOS電路大約介于1和<>之間時(shí)，頂部和底部晶體管都部分導(dǎo)通。因此，速度越快，每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)就越多，使用的功率就越多。只要過(guò)渡快，零件就不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在中間位置，大家都很高興。表<>顯示了一些安全邏輯高電平和低電平占電源電壓的百分比。

圖2.CMOS輸入引腳上的電壓與電源電流的關(guān)系。數(shù)據(jù)為MAX5391數(shù)字電位器。

邏輯電平通常指定為電源電壓的百分比。圖2的波形是通過(guò)緩慢改變輸入電壓而形成的。遺憾的是，如果應(yīng)用在 2.6V 和 5V 電源下，它將比適當(dāng)?shù)?80 和 5 消耗多 0 倍的電流。在7V邏輯擺幅的情況下，如果信號(hào)小于4.3V，則為安全零;如果高于<>.<>V，則為安全電壓。

MAX5391將5V邏輯與5V電源接口，并可適應(yīng)3V邏輯與3V電源?，F(xiàn)在假設(shè)有人想將此器件與輸入中的3V邏輯配對(duì)，但使用5V電源？零情況有效，但消耗的功率是必要功率的四到八倍。這就是CMOS可能運(yùn)行過(guò)熱的原因。正確的解決方法是在以不同電壓運(yùn)行的邏輯之間使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器。

其他關(guān)斷或?qū)?— CMOS 邏輯問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，人類(lèi)喜歡看人。工程師尤其喜歡細(xì)節(jié)，而究竟什么是如此重要的開(kāi)啟和關(guān)閉？

問(wèn)題實(shí)際上與電源排序有關(guān)。IC設(shè)計(jì)人員希望同時(shí)或至少按規(guī)定的順序施加提供給所有引腳的電源。系統(tǒng)工程師知道，如果沒(méi)有非凡的努力和大量額外的電路，這幾乎是不可能的。因此，大多數(shù)電路必須自生自滅，至少在功率穩(wěn)定后的幾秒鐘內(nèi)不要自我破壞。（值得慶幸的是，現(xiàn)代部件不像一些早期的IC，如果不按規(guī)定的順序供電，它們會(huì)在內(nèi)部閂鎖和自毀。然而，有些電路（如邏輯、ASIC或處理器）必須在邏輯電平信號(hào)施加到其輸入之前上電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須理解為什么這是真的，不是理論上的，而是真正的事實(shí)。

大多數(shù)具有幾年經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都見(jiàn)過(guò)有人試圖對(duì)CMOS邏輯問(wèn)題進(jìn)行故障排除。問(wèn)題來(lái)來(lái)去去，似乎是隨機(jī)的。就在事情開(kāi)始變得有意義時(shí)，一切都變了。行為正常的電路節(jié)點(diǎn)突然不是。你猜到答案了嗎？是的，當(dāng)然！CMOS缺少電源。CMOS需要的功率非常小，如果一個(gè)輸入引腳處于邏輯高電平，它就可以工作。它是如何工作的？

圖3.典型的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。

想象一組沒(méi)有V的邏輯門(mén)抄送應(yīng)用（圖3）。在這里，該組擁有所有 V抄送在公共汽車(chē)上綁在一起的別針。現(xiàn)在，將一個(gè)邏輯高電平從外部正確供電的電路施加到信號(hào)引腳C。高電平通過(guò)頂部ESD二極管至V抄送總線?，F(xiàn)在所有的門(mén)都有了電，似乎在工作......直到引腳C上的邏輯高電平變?yōu)榱慊虻碗娖健Ｈ缓?，該邏輯部分停止工作，直到任何輸入引腳變?yōu)楦唠娖?。有了像上面這樣的幾個(gè)輸入引腳，該小組似乎在做愚蠢、不合邏輯的事情。這種情況對(duì)故障排除并不有趣，并導(dǎo)致了一個(gè)基本的設(shè)計(jì)規(guī)則：始終從基礎(chǔ)開(kāi)始 - 它是否插入，電源和接地是否在適當(dāng)?shù)碾妷合麓嬖冢?/p>

IC內(nèi)部的ESD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于在客戶將其安裝到產(chǎn)品的PC板上之前保護(hù)該器件。IC內(nèi)部的ESD二極管尺寸有限;它們無(wú)法承受來(lái)自外部來(lái)源的系統(tǒng) ESD 事件。電力線浪涌和近距離雷擊將使內(nèi)部IC ESD二極管不堪重負(fù)。固定ESD存在實(shí)際限制，PC板和系統(tǒng)上需要外部ESD部件。

想象一下，一個(gè)電路有一個(gè)強(qiáng)大的電源連接到上面的引腳C。V抄送長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉。頂部ESD二極管將嘗試為V上的所有內(nèi)容供電抄送軌。但是，ESD二極管很小，可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而失效。在這種情況下，可能有原因 V抄送例如，為了降低功耗而被刪除。因此，添加一個(gè)與頂部ESD二極管并聯(lián)的外部二極管可以解決這個(gè)問(wèn)題。外部二極管Si或肖特基將承載電流并保護(hù)IC。

結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)的智慧希望使我們能夠圍繞一些令人沮喪的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果沒(méi)有，至少我們可以避免一些痛苦的教訓(xùn)。注重細(xì)節(jié)很重要。CMOS和BiCMOS IC的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間存在特殊問(wèn)題，因此我們解釋了如何在沒(méi)有V的情況下估計(jì)它們的導(dǎo)通時(shí)間并計(jì)算CMOS電路的行為抄送應(yīng)用的。最后，如果不保持安全的和零電平，CMOS/BiCMOS器件可能會(huì)非?！叭紵?。最好的解決方法是在不同電壓之間運(yùn)行的邏輯電平轉(zhuǎn)換器。

一句古老的諺語(yǔ)說(shuō)：“一盎司的預(yù)防勝過(guò)一磅的治療。在電路設(shè)計(jì)中當(dāng)然如此。對(duì)設(shè)計(jì)中的數(shù)字邏輯系列有良好的工作知識(shí)是確保所得電路可靠、保持冷卻且不會(huì)使用超過(guò)必要電流的最佳方法。預(yù)先的想法可以節(jié)省以后的召回或修訂或董事會(huì)旋轉(zhuǎn)。

審核編輯：郭婷