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CMOS集成電路的接口電路設(shè)計(jì)詳解
  • 發(fā)布時(shí)間:2024-09-26 13:48:57
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CMOS集成電路的接口電路設(shè)計(jì)詳解
CMOS集成電路是互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體電路(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)的英文字頭縮寫,它由絕緣場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成,由于只有一種載流子,因而是一種單極型晶體管集成電路;所以在應(yīng)用過(guò)程中,不可避免地要遇到不同類別的器件間相互連接問(wèn)題。當(dāng)各器件的邏輯電平互不一致,不能正確接受和傳遞信息時(shí),就要使用接口電路。本文介紹了兩類的接口電路設(shè)計(jì)。
這里主要介紹兩類接口。
一、CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)其它器件
1.CMOS-TTL集成電路的接口
由于TTL的低電平輸入電流1.6mA,而CMOS的低電平輸出電流只有1.5mA,因而一般都得加一個(gè)接口電路。這里介紹一種采用單電源的接口電路。在圖1中,門II起接口電路的作用,是CMOS集成電路緩沖/電平變換器,起緩沖驅(qū)動(dòng)或邏輯電平變換的作用,具有較強(qiáng)的吸收電流的能力,可直接驅(qū)動(dòng)TTL集成電路,因而連接簡(jiǎn)便。但是,使用時(shí)需要注意相位問(wèn)題。電路中CC4049是六反相緩沖/變換器,而CC4050是六同相緩沖/變換器。
CMOS集成電路接口電路
圖1CMOS-TTL集成電路接口
2.CMOS-HTL集成電路的接口
HTL集成電路是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)集成電路,具有較高的抗干擾性能。由于CMOS集成電路的工作電壓很寬,因而可與HTL集成電路共用+15V電源。此時(shí),兩者之間的VOH、VOL及IIH、IIL均互相滿足,不必另設(shè)接口電路,直接相連即可,連接電路見(jiàn)圖2。
CMOS集成電路接口電路
圖2CMOS-HTL集成電路接口
3.CMOS-ECL集成電路的接口
ECL集成電路是一種非飽和型的數(shù)字邏輯電路。其工作速度居所有邏輯電路之首。ECL采用負(fù)電源供電。CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)ECL集成電路可使用單電源工作,如圖3所示。ECL集成電路加-5.2V工作電壓,CMOS的VDD接地,VSS接至-5.2V。以ECL集成電路CE10102為例,(CE10102內(nèi)部包括4個(gè)2輸入或非門),流入ECL的輸入高電平電流IIH為265uA,輸入高電平電壓VIH為-1.105V,在單電源下CMOS電路可以滿足ECL集成電路的輸入需要。
CMOS集成電路接口電路
圖3CMOS-ECL集成電路接口
4.CMOS-NMOS集成電路的接口
NMOS集成電路是N溝道MOS電路,NMOS集成電路的輸入阻抗很高,基本上不需要吸收電流,因此,CMOS與NMOS集成電路連接時(shí)不必考慮電流的負(fù)載問(wèn)題。
NMOS集成電路大多采用單組正電源供電,并且以5V為多。CMOS集成電路只要選用與NMOS集成電路相同的電源,就可與NMOS集成電路直接連接。不過(guò),從NMOS到CMOS直接連接時(shí),由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平,因而需要使用一個(gè)(電位)上拉電阻R,如圖4所示,R的取值一般選用2~100KΩ。
CMOS集成電路接口電路
圖4CMOS-NMOS集成電路接口
5.CMOS-PMOS集成電路的接口
PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電采用直接接口方式,一般CMOS的電源電壓選擇在10~12V就能滿足PMOS對(duì)輸入電平的要求。
CMOS集成電路接口電路
圖5CMOS-PMOS集成電路接口
6.CMOS-工業(yè)控制電路的接口
工業(yè)控制電路是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的電路,多采用24V工作電壓。圖6示出了CMOS電路與工業(yè)控制電路的連接方法。圖中R1是晶體三極管VT的基極偏流電阻,VT的作用是把CMOS電路較低的邏輯高電平拉到24V,使兩者構(gòu)成良好的連接。
CMOS集成電路接口電路
圖6CMOS-工業(yè)控制電路接口
7.CMOS-晶體三極管VT的接口
圖7a是CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)晶體三極管的接口。晶體三極管VT采用共發(fā)射極形式連接R1是VT的負(fù)載電阻,R1是VT的基極偏流電阻,R1的大小由公式R1=(VOH-VBH)β/IL決定。式中IL為負(fù)載電流。使用時(shí)應(yīng)先根據(jù)VL和IL來(lái)選定VC,然后估算IB(IB=IL/β)是否在CMOS集成電路的驅(qū)動(dòng)能力之內(nèi)。如超出,可換用β值更高的晶體三極管或達(dá)林頓管,如圖7b所示。晶體三極管VT按IL選定,IB=IL/(β1*β2),電阻R1的取值為:R1=(VOH-1.4)/(IB+1.4/R2),式中R2是為改善電路的開(kāi)關(guān)特性而引入的,其值一般取為4?10KΩ。
CMOS集成電路接口電路
圖7CMOS-晶體三極管VT接口
8.CMOS-發(fā)光二極管LED的接口
發(fā)光二極管(LED)具有高可靠性、低功耗、長(zhǎng)壽命等多項(xiàng)重要特性。是與CMOS集成電路配合使用的最佳終端顯示器件之一。發(fā)光效率較高的LED可由CMOS集成電路直接驅(qū)動(dòng),特別當(dāng)VDD=10~18V時(shí),絕大多數(shù)的LED能夠有足夠的亮度。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明,用CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)LED應(yīng)串入限流電阻,因?yàn)楫?dāng)VDD=10V時(shí),其輸出短路電流可達(dá)20mA左右,若不加適當(dāng)?shù)南蘖鞅Wo(hù),極易導(dǎo)致LED或CMOS集成電路損壞。圖8a是CMOS集成電路輸出低電平點(diǎn)亮LED的電路,電阻R可通過(guò)公式:R=(VDD-VOL-VLED)/ILED求出。圖8b是CMOS集成電路輸出高電平點(diǎn)亮LED的電路,電阻R的數(shù)值通過(guò)公式:R=(VOH-VLED)/ILED求出。式中VLED和分別是LED的工作電壓和工作電流。
CMOS集成電路接口電路
圖8CMOS-發(fā)光二極管LED接口
如果在低電源電壓下工作的CMOS集成電路要驅(qū)動(dòng)LED,或者使用負(fù)載能力較差的COOO系列CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)LED,均可能難以使LED發(fā)出足夠明亮的光。解決辦法是加一級(jí)晶體管驅(qū)動(dòng)電路,以獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能力。
9.CMOS-可控硅VS的接口
一般中、小功率可控硅的觸發(fā)電流約在10mA以下,故多數(shù)CMOS集成電路能夠直接驅(qū)動(dòng)可控硅。具體電路如圖9所示。若需要更大的驅(qū)動(dòng)電流,可改為CMOS緩沖器(例如CC4041)或緩沖/驅(qū)動(dòng)器(例如CC40107),也可加一級(jí)晶體三極管電路。
CMOS集成電路接口電路
圖9CMOS-可控硅VS接口
二、其它器件驅(qū)動(dòng)CMOS集成電路
1.TTL-CMOS集成電路的接口
利用集電極開(kāi)路的TTL門電路可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)TTL與CMOS集成電路的連接,其電路如圖10所示。圖1中的RL是TTL集電極開(kāi)路門的負(fù)載電阻,一般取值為幾百Ω到幾MΩ。RL取較大值便于減小集電極開(kāi)路門的功耗,但在一定程度上影響電路的工作速度。一般情況下,RL可取值47?220KΩ;中速、高速工作場(chǎng)合取20KΩ以下較為合適。
CMOS集成電路接口電路
圖10TTL-CMOS集成電路接口
2.ECL-CMOS集成電路的接口
ECL集成電路驅(qū)動(dòng)CMOS集成電路的連接方法如圖11所示。它利用MC1024(ECL)的輸出去驅(qū)動(dòng)晶體三極管VT,再由VT去驅(qū)動(dòng)CMOS集成電路。當(dāng)MC1024的兩個(gè)輸入端都是-8V時(shí),VT截止;若兩個(gè)輸入中的一個(gè)為-1.6V,在兩個(gè)輸出之間就有1.6V的電壓,既可驅(qū)動(dòng)晶體管VT。
CMOS集成電路接口電路
圖11ECL-CMOS集成電路接口
3.工業(yè)控制電路-CMOS集成電路的接口
圖12所示接口電路,是利用分壓電阻R1、R2將24V工業(yè)控制電路與CMOS集成電路連接。濾波電容C提高了CMOS集成電路的抗干擾能力,兩個(gè)箝位二極管VD1、VD2用來(lái)保證輸入信號(hào)被控制在VDD和VSS之間。
CMOS集成電路接口電路
圖12工業(yè)控制電路-CMOS集成電路接口
4.NMOS-CMOS集成電路的接口
NMOS集成電路驅(qū)動(dòng)CMOS集成電路的接口比較簡(jiǎn)單。圖13為其中的一種電路。實(shí)際使用時(shí)只考慮當(dāng)晶體三極管VT截止時(shí),它的集電極電壓符合CMOS集成電路的輸入高平電壓這一條件。圖中RC的取值可在2~10K范圍內(nèi)。由于VT的飽和壓降一般都比教小,都能符合CMOS輸入邏輯低電平的要求。
CMOS集成電路接口電路
圖13NMOS-CMOS集成電路接口
5.機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)-CMOS集成電路的接口
許多電子設(shè)備都要通過(guò)撥盤開(kāi)關(guān)、按扭、板鍵、鈕子開(kāi)關(guān)和繼電器等與外界的傳感器或人工操作設(shè)備發(fā)生聯(lián)系,但由于這些開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)都是機(jī)械的,所以在通斷過(guò)程中出現(xiàn)瞬間抖動(dòng),這些抖動(dòng)輸入到CMOS集成電路中,就會(huì)干擾正常的邏輯關(guān)系。因此,在這類場(chǎng)合應(yīng)用,需要設(shè)置防抖動(dòng)接口。圖14所示電路采用CMOS與非門來(lái)構(gòu)成的R-S觸發(fā)器防抖動(dòng)接口。
CMOS集成電路接口電路
圖14機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)-CMOS集成電路接口
6.HTL-CMOS集成電路的接口
HTL集成電路的電源電壓為15V,其輸出高電平VOH和輸出低電平電壓VOL完全適合于驅(qū)動(dòng)VDD=15V的CMOS集成電路,因此兩者之間不需另設(shè)接口電路,直接連接既可,電源電壓也可通用,如圖15所示。
CMOS集成電路接口電路
圖15HTL-CMOS集成電路接口
7.PMOS-CMOS集成電路的接口
如圖16所示的PMOS-CMOS集成電路的接口電路采用兩種電源供電。這樣連接后,盡管PMOS集成電路的輸出電平對(duì)自身的VSS端來(lái)講仍為負(fù)值,但對(duì)CMOS集成電路的VSS端而言卻變成正值、或零、或略低于零。例如當(dāng)CMOS用12V電源時(shí),其輸入電平為VIH=10V、VIL=0V,完全適合接口的需要。圖16a中R取值應(yīng)使CMOS輸入電流不大于50uA;圖16b中取值應(yīng)使PMOS的VOL為-9.5~-10V。
CMOS集成電路接口電路
圖16PMOS-CMOS集成電路接口
8.HCMOS-CMOS集成電路的接口
這種情況通常較少遇見(jiàn)。由于兩者均是CMOS器件,故接口很容易,在CMOS與HCMOS同用一組電源時(shí),直接連接便可。
9.運(yùn)算放大器-CMOS集成電路的接口
由于運(yùn)算放大器電路采用±15V雙電源供電的較多,其輸出電壓最大可達(dá)±13V左右。對(duì)于CMOS集成電路來(lái)講,輸入信號(hào)不能超過(guò)電源電壓,因此需在CMOS的輸入端設(shè)置負(fù)向鉗位二極管予以保護(hù)。此外,如果CMOS的電源電壓低于13V,則還應(yīng)設(shè)置正向鉗位二極管,用以防止CMOS的輸入電路被超過(guò)VDD較多的輸入正向電壓而燒壞??紤]以上兩個(gè)因素,我們可以得到如圖17a所示的運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)CMOS的接口電路。圖中R1的作用是限制運(yùn)算放大器的輸入電流,避免器件因過(guò)流而損壞;VD1和VD2分別為正向和負(fù)向輸入鉗位二極管。
CMOS集成電路接口電路
圖17運(yùn)算放大器-CMOS集成電路接口
對(duì)于采用單電源供電的運(yùn)算放大器,因其輸出對(duì)地?zé)o負(fù)向成分,故CMOS的輸入負(fù)向鉗位二極管可不設(shè)。如果運(yùn)算放大器與CMOS同用一組電源,則正向鉗位二極管也可以省去。這樣兩者就可直接連接,如圖17b所示。應(yīng)注意,有的運(yùn)算放大器不宜或不能在較低的電源電壓下工作,倘若運(yùn)算放大器的電源電壓高于CMOS的電源電壓,就仍需設(shè)置正向鉗位二極管和限流電阻。
以上就是CMOS集成電路的接口電路設(shè)計(jì)介紹了,主要是CMOS集成電路驅(qū)動(dòng)其它器件的接口設(shè)計(jì)和其它器件驅(qū)動(dòng)CMOS集成電路的接口設(shè)計(jì)。由于CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管,屬于多數(shù)載流子導(dǎo)電器件。各種射線、輻射對(duì)其導(dǎo)電性能的影響都有限,因而特別適用于制作航天及核實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
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