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CMOS器件的輸入信號上升時間為什么不能太長?

CHANBAEK ? 來源:信號處理雜談與仿真 ? 作者: 電子通 ? 2023-10-31 10:39 ? 次閱讀

CMOS器件的輸入信號上升時間或下降時間統稱為輸入轉換時間,輸入轉換時間過長也稱為慢CMOS輸入。如果輸入信號上升時間過長,超過器件手冊允許的最大輸入轉換時間,則有可能在器件內部引起大的電流浪涌,造成器件損壞或引起器件輸出電平翻轉(輸入原本為0,輸出為1;或者相反情況)。

1.慢CMOS輸入或浮空CMOS輸入的特征

CMOS和BiCMOS系列器件都有一個CMOS輸入結構。該結構是一個反相器(包括連接VCC的一個p溝道晶體管和連接GND的一個n溝道晶體管),如圖1所示。

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備注:圖1中的ABT器件采用BiCMOS技術,Q1是雙極晶體管,Qp和Qn是CMOS管子,ABT器件的輸入為CMOS反相器(又叫倒相器、非門(NOT gate,非電路)和邏輯否定電路);關于CMOS反相器,參見文檔《CMOS功耗和Cpd計算》。

當輸入為低電平,p溝道晶體管導通,n溝道晶體管截止,電流從VCC流出,節點被拉高;當輸入為高電平,p溝道晶體管截止,n溝道晶體管導通,電流流入GND,節點被拉低。在兩種情況下,沒有電流從VCC流到GND。然而,當從一個狀態轉換到另一個狀態時,輸入穿過閾值區域,使得n溝道晶體管和p溝道晶體管同時導通,在VCC與GND之間形成電流路徑。該電流浪涌可能是破壞性的,它取決于輸入在閾值區域(0.8~2V)的時間長度。每個輸入的供電電流(ICC)能夠升到幾mA,ICC在輸入(VI)約為1.5V時最大,見圖2。

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備注:當輸入穿過閾值區域,在VCC與GND之間的電流路徑也叫直通電流,直通電流會造成器件的瞬態功耗,詳情參見文檔《CMOS功耗和Cpd計算》。從圖2中看出,當輸入電壓在閾值區域內(0.8~2V)時,供電電流存在浪涌。

當開關狀態在數據手冊指定的輸入轉換時間限值內時,電流浪涌不是問題。對于具體器件,在數據手冊的推薦工作條件表中指定輸入轉換時間限值,例子如圖3所示。

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2.慢輸入沿率

隨著速度增加,邏輯器件已經對慢輸入沿率更敏感。慢輸入沿率與噪聲(當輸出開關時,在電源上產生)一起能夠引起大量輸出錯誤或振蕩。如果沒有用到的輸入管腳懸空或者未保持在一個有效的邏輯電平值,類似現象也能夠發生。

這些功能問題是由在器件電源系統引起的電壓瞬態造成的,在開關過程中,當輸出負載電流(IO)流過寄生引線電感時產生電壓瞬態,見圖4。

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因為器件的內部電源節點用作整個集成電路的電壓參考,感應電壓尖峰VGND影響出現在內部門結構的信號方式【指VI′=VI-VGND】。例如,當器件地節點的電壓升高時,輸入信號VI′看起來在幅度上減小。如果發生閾值違背(指輸入信號原本為高電平,由于VI′小于器件輸入端高電平的閾值VIH,造成輸出錯判為低電平;反之亦成立),這種不期望現象隨后能夠錯誤地改變輸出。

對于一個慢的輸入上升沿,如果在GND的電壓變化足夠大【VGND】,器件的相對輸入信號VI′看起來被驅動返回穿過輸入閾值區(0.8~2V),輸出開始從相反方向開關(指0變成1,1變成0)。如果最壞情況(所有輸出同時開關,造成瞬態負載電流較大)頻繁發生(參見圖2和圖3),慢輸入沿被重復地驅動返回穿過閾值區,引起輸出振蕩。因此,不應該違背器件的最大輸入轉換時間,也就不會造成對電路或外部封裝的損壞。

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