CMOS集成電路的接口電路設(shè)計介紹

CMOS集成電路是互補型金屬氧化物半導(dǎo)體電路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字頭縮寫，它由絕緣場效應(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)用過程中，不可避免地要遇到不同類別的器件間相互連接問題。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，就要使用接口電路。本文介紹了兩類的接口電路設(shè)計。

這里主要介紹兩類接口。

一、CMOS集成電路驅(qū)動其它器件

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)動或邏輯電平變換的作用，具有較強的吸收電流的能力，可直接驅(qū)動TTL集成電路，因而連接簡便。但是，使用時需要注意相位問題。電路中CC4049是六反相緩沖/變換器，而CC4050是六同相緩沖/變換器。

圖1 CMOS-TTL集成電路接口

2.CMOS-HTL集成電路的接口

HTL集成電路是標準的工業(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，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，連接電路見圖2。

圖2 CMOS-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采用負電源供電。CMOS集成電路驅(qū)動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。

圖3 CMOS-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集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。

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，從NMOS到CMOS直接連接時，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(電位)上拉電阻R，如圖4所示，R的取值一般選用2~100KΩ。

圖4 CMOS-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對輸入電平的要求。

圖5 CMOS-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。

圖6 CMOS-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為負載電流。使用時應(yīng)先根據(jù)VL和IL來選定VC，然后估算IB(IB=IL/β)是否在CMOS集成電路的驅(qū)動能力之內(nèi)。如超出，可換用β值更高的晶體三極管或達林頓管，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是為改善電路的開關(guān)特性而引入的，其值一般取為4?10KΩ。

圖7 CMOS-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、長壽命等多項重要特性。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，特別當(dāng)VDD=10~18V時，絕大多數(shù)的LED能夠有足夠的亮度。應(yīng)當(dāng)說明，用CMOS集成電路驅(qū)動LED應(yīng)串入限流電阻，因為當(dāng)VDD=10V時，其輸出短路電流可達20mA左右，若不加適當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo，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亮LED的電路，電阻R可通過公式：R=(VDD-VOL-VLED)/ILED求出。圖8b是CMOS集成電路輸出高電平點亮LED的電路，電阻R的數(shù)值通過公式：R=(VOH-VLED)/ILED求出。式中VLED和分別是LED的工作電壓和工作電流。

圖8 CMOS-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LED，或者使用負載能力較差的COOO系列CMOS集成電路驅(qū)動LED，均可能難以使LED發(fā)出足夠明亮的光。解決辦法是加一級晶體管驅(qū)動電路，以獲得足夠的驅(qū)動能力。

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)動可控硅。具體電路如圖9所示。若需要更大的驅(qū)動電流，可改為CMOS緩沖器(例如CC4041)或緩沖/驅(qū)動器(例如CC40107)，也可加一級晶體三極管電路。

圖9 CMOS-可控硅VS接口

二、其它器件驅(qū)動CMOS集成電路

1.TTL-CMOS集成電路的接口

利用集電極開路的TTL門電路可以方便靈活地實現(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集電極開路門的負載電阻，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、高速工作場合取20KΩ以下較為合適。

圖10 TTL-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)動晶體三極管VT，再由VT去驅(qū)動CMOS集成電路。當(dāng)MC1024的兩個輸入端都是-8V時，VT截止;若兩個輸入中的一個為-1.6V，在兩個輸出之間就有1.6V的電壓，既可驅(qū)動晶體管VT。

圖11 ECL-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，兩個箝位二極管VD1、VD2用來保證輸入信號被控制在VDD和VSS之間。

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CMOS集成電路的接口比較簡單。圖13為其中的一種電路。實際使用時只考慮當(dāng)晶體三極管VT截止時，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。

圖13 NMOS-CMOS集成電路接口

5.機械開關(guān)觸點-CMOS集成電路的接口

許多電子設(shè)備都要通過撥盤開關(guān)、按扭、板鍵、鈕子開關(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，但由于這些開關(guān)的觸點都是機械的，所以在通斷過程中出現(xiàn)瞬間抖動，這些抖動輸入到CMOS集成電路中，就會干擾正常的邏輯關(guān)系。因此，在這類場合應(yīng)用，需要設(shè)置防抖動接口。圖14所示電路采用CMOS與非門來構(gòu)成的R-S觸發(fā)器防抖動接口。

圖14 機械開關(guān)觸點-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。

圖15 HTL-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自身的VSS端來講仍為負值，但對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，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。

圖16 PMOS-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。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，直接連接便可。

9.運算放大器-CMOS集成電路的接口

由于運算放大器電路采用±15V雙電源供電的較多，其輸出電壓最大可達±13V左右。對于CMOS集成電路來講，輸入信號不能超過電源電壓，因此需在CMOS的輸入端設(shè)置負向鉗位二極管予以保護。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VDD較多的輸入正向電壓而燒壞。考慮以上兩個因素，我們可以得到如圖17a所示的運算放大器驅(qū)動CMOS的接口電路。圖中R1的作用是限制運算放大器的輸入電流，避免器件因過流而損壞;VD1和VD2分別為正向和負向輸入鉗位二極管。

圖17 運算放大器-CMOS集成電路接口

對于采用單電源供電的運算放大器，因其輸出對地?zé)o負向成分，故CMOS的輸入負向鉗位二極管可不設(shè)。如果運算放大器與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，有的運算放大器不宜或不能在較低的電源電壓下工作，倘若運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)計介紹了，主要是CMOS集成電路驅(qū)動其它器件的接口設(shè)計和其它器件驅(qū)動CMOS集成電路的接口設(shè)計。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驗設(shè)備。

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