集成电路应用3知识讲解
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《集成电路制造工艺与工程应用》第三章课件
LOD效应
对于利用STI作隔离的深亚微米CMOS工艺制程技术，STI沟槽中填充的是隔离介质氧化物，由于硅衬底和隔 离介质氧化物的热力膨胀系数不同，导致STI会产生压应力挤压邻近MOS的有源区，引起器件的电参数发生 变化，这种效应称为STI应力效应，也称LOD效应（Length of Diffusion effect）。LOD效应主要影响器件 的饱和电流（Idsat）和阈值电压（Vth）。
3.3V NMOS
3.3V PMOS
《集成电路制造工艺与工程应用》讲义 2018/09/28
p+
n+
n+
p+
p+
n+
PW
NW
P-sub
1.5V NMOS
1.5V PMOS
p+
n+
n+
p+
p+
PW
NW
P-sub
n+
2
《集成电路制造工艺与工程应用》讲义 2018/09/28
PN结隔离技术
PN结隔离技术，它是利用PN结反向偏置时呈高电阻性，来达到相互绝缘隔离的目的。 双极型工艺制程技术的流程。
否则会造成沟槽侧壁反型，从而造成器件的亚阈值漏电流过 大。 b) 第二个是白带效应，STI侧壁的热氧化也会引起轻微的白带 效应。 c) 第三个与STI的厚度有关，STI的氧化层高度必须比有源区高 ，因为在后续的离子注入工艺后去光刻胶步骤不断会有酸槽 ，会消耗一部分氧化物。
17
《集成电路制造工艺与工程应用》讲义 2018/09/28
14
《集成电路制造工艺与工程应用》讲义 2018/09/28
STI（浅沟槽）隔离技术
《集成电路应用》辅导提纲
《集成电路应用》课程辅导提纲军区空军自考办第一章数字集成电路一、内容提要1、数字集成电路的类型及特点数字集成电路分为TTL型、CMOS型和ECL型等三大类。
CMOS又分为4000B系列、40H-系列和74HC系列；TCL类型分为74S系列以及74ALS 系列、74AS系列；ECL类分为ECL10K系列和ECL100K系列。
各类数字集成电路可以如下几个方面进行性能比较，一在工作电源电压上，TTL标准工作电压是+5V；其它逻辑器件的工作电源电压大都有较宽的工作范围，CMOS中的4000B系列可以工作在3～18V，PMOS 可工作在9～24V，在使用中注意各类器件其工作电压范围不同。
二是在工作频率上，PMOS工作频率最低，CMOS工作频率次之，TTL工作频率适中，而ECL工作频率最高。
三是在工作温度范围上，TTL、ECL工作温度范围较小，而CMOS工作温度范围较大。
2、数字IC使用注意事项及逻辑电路图用法（1）数字IC使用注意事项使用TTL、CMOS、HCOMS、ECL等高速IC时，要注意其高速的特性容易产生对别的电路或相互之间的干扰脉冲。
以MOS-FET为输入级的电路器件，输入阻抗极高，如果不连接任何低阻抗通路到其他低阻部分，就很容易受静电感应累积静电荷，从而形成高电压。
应采取保护性措施。
（2）逻辑电路图画法任何复杂的逻辑电路，都可以用NAND或NOR来组成，在数字电路中，又把这两种门电路看成是最基本的逻辑电路，在表示电路图时，可采用连线图和电路图两种方法。
3、集成逻辑门在各种数字IC系列产品中，与门、或门、非门、与非门、或非门为最基本的逻辑门，此外还有与或非门，集电极开路输出门，可扩门展门以及扩展器、缓冲器和异或门等。
（1）集成逻辑门的主要品种主要有与非门、反相器、或非门、与门、或门、与或非门、可扩展门、扩展器、缓冲器、总线驱动器等系列品种。
（2）逻辑门电路的应用门电路可用于控制作为取样控制、选通控制和禁止控制电路也可用于构成晶体振荡电路、RC多谐振荡器、单稳态触发器、脉冲变换电路等。
集成电路科学与工程导论 第三章 集成电路晶体管器件
发展趋势-摩尔定律
「按比例缩小定律」（英文：Scaling down）“比例缩小”是指，在电场 强度和电流密度保持不变的前提下，如果MOS-FET的面积和电压缩小到 1/2，那么晶体管的延迟时间将缩短为原来的1/2，功耗降低为原来的1/2。 晶体管的面积一般为栅长(L)乘以栅宽(W)，即尺寸缩小为原来的0.7倍：
仅变得越来越小，在器件结构和材料体系上也经过了多次重大变革
集成电路器件发展趋势
国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）
目录
一．晶体管器件概述 二．金属-氧化物-半导体场效应晶
体管技术 三．绝缘体上晶体管技术 四．三维晶体管技术 五．其他类型晶体管器件
环栅场效应晶体管
「环栅场效应晶体管」（英文：GAAFET） 技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包 裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利 用线状或者片状（平板状）的多个源极和 漏极垂直于栅极横向放置，实现MOSFET 的基本结构和功能
栅极G
栅极G
硅
硅 (a)
纳米线
硅 (b)
纳米片
平面型 垂直型
互补场效应管
栅极G
n+
e-
n+
p-衬底 (a)
栅极G
n+
e-
n+
氧化物埋层（BOX）
p-衬底 (b)
优势：氧化物埋层降低了源极和漏极之间的寄生电容，大幅降低了会影响器件 性能的漏电流；具有背面偏置能力和极好的晶体管匹配特性，没有闩锁效应， 对外部辐射不敏感，还具有非常高的晶体管本征工作速度等；
挑战：存在一定的负面浮体效应；二氧化硅的热传导率远远低于硅的热传导率 使它成为一个天然“热障” ，引起自加热效应；成本高昂。
《集成电路应用》课件
集成电路的技术创新
新材料的应用
采用新型材料，如碳纳米管、二维材料等，提高 集成电路的性能和降低功耗。
制程技术的进步
不断缩小芯片制程尺寸，提高芯片性能和集成度 。
封装技术的创新
采用先进的封装技术，如晶圆级封装、3D封装等 ，提高集成效率和可靠性。
集成电路在未来的应用前景
人工智能
物联网
集成电路作为人工智能技术的硬件基础， 将广泛应用于人工智能芯片、边缘计算等 领域。
集成电路的工作流程
集成电路的工作流程主要包括输入信号 的处理、信号的传输、信号的处理和输 出信号的处理等步骤。
在输出信号处理阶段，集成电路将处理 后的信号转换回适合外部应用的信号， 并将其输出。
在信号处理阶段，集成电路对接收到的 信号进行必要的处理，如放大、运算、 比较等。
在输入信号处理阶段，集成电路接收外 部输入的信号，并将其转换为适合内部 处理的信号。
集成电路的应用领域
总结词
集成电路应用广泛，涉及通信、计算机、工业控制、消费电子、医疗电子等多个领域。
详细描述
集成电路应用广泛，涉及通信领域的手机、基站、路由器等；计算机领域的个人电脑、 服务器等；工业控制领域的智能仪表、工业控制系统等；消费电子领域的电视、音响、 游戏机等；医疗电子领域的医疗设备、远程诊疗系统等。集成电路作为现代电子系统的
感谢您的观看
医疗设备中的集成电路
医疗设备是现代医疗中不可或缺的重要工具， 而集成电路在医疗设备中扮演着关键角色。
医疗设备中的集成电路主要用于信号处理、控 制、监测等功能，如心电图机、监护仪、超声 波诊断仪等设备中都有集成电路的存在。
集成电路的应用使得医疗设备更加精准、可靠 ，提高了医疗诊断和治疗的水平，为人们的健 康提供了更好的保障。
西南民族大学集成电路第3章模拟集成电路非线性应用
第3章 模拟集成电路的非线性应用
若门限电位为零——为：过零比较器
uo
ui u +
UoH
uO
0 ui
∞ + u- － A +
UoL
ui u uo ∞ u+ + A +
uO
0
UoH
ui
UoL
第3章 模拟集成电路的非线性应用
例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。
ui u +
ui
t
∞ + u- － A +
VD1 VD2
ui
＋
A1
uo
uo1
R1 = R
VD3
VD4
－ ＋
A2
uo2
ui>0时
u-1= ui 作用于A2的反向端 1 mR ui ) ui u-2虚地 uo (1 mR m
uo1 >0, VD1截止, VD2导通 uo2 <0, VD4截止, VD3导通
第3章 模拟集成电路的非线性应用
二极管D1截止，D2导通， ui
R3 U A Ui R1
R1
D1
R5 R4
D2
- A1 +
uA
– A2 +
uo
R5 R5 R5 R5 R3 U 0 Ui U A Ui Ui R2 R4 R2 R4 R1 R5 ( R2 R3 R1 R4 ) R1 R2 R4
可见, 门限电压:
Uim Uom
O
uI
U im
R2 U ref R1
第3章 模拟集成电路的非线性应用
3.6 电压比较器及其应用
集成电路封装知识(3)
集成电路封装知识（3）在目前的封装工艺中，越来越多的制造商选择使用激光打码技术，尤其是在高性能产品中。
器件装配的方式有二种，一种是所谓的波峰焊（wave soldering），另一种是所谓的回流焊（reflow soldering）。
波峰焊主要用在插孔式PTH封装类型器件的装配，而表面贴装式SMT及混合型器件装配则大多使用回流焊。
波峰焊是早期发展起来的一种PCB板上元器件装配工艺，现在已经较少使用。
波峰焊的工艺过程包括上助焊剂、预热及将PCB板在一个焊料峰（solder wave）上通过，依靠表面张力和毛细管现象的共同作用将焊料带到PCB板和器件引脚上，形成焊接点。
在波峰焊工艺中，熔融的焊料被一股股喷射出来，形成焊料峰，故有此名。
目前，元器件装配最普遍的方法是回流焊工艺（reflow soldering），因为它适合表面贴装的元器件，同时，也可以用于插孔式器件与表面贴装器件混合电路的装配。
由于现在的元器件装配大部分是混合式装配，所以，回流焊工艺的应用更为广泛。
回流工艺看似简单，其实包含了多个工艺阶段：将焊膏（solder paste）中的溶剂蒸发掉；激活助焊剂（flux），并使助焊作用得以发挥；小心地将要装配的元器件和PCB板进行预热；让焊料熔化并润湿所有的焊接点；以可控的降温速率将整个装配系统冷却到一定的温度。
回流工艺中，器件和PCB板要经受高达210℃到230℃的高温，同时，助焊剂等化学物质对器件都有腐蚀性，所以，装配工艺条件处置不当，也会造成一系列的可靠性问题。
封装质量必须是封装设计和制造中压倒一切的考虑因素。
质量低劣的封装可危害集成电路器件性能的其它优点，如速度、价格低廉、尺寸小等等。
封装的质量低劣是由于从价格上考虑比从达到高封装质量更多而造成的。
事实上，塑料封装的质量与器件的性能和可靠性有很大的关系，但封装性能更多取决于封装设计和材料选择而不是封装生产，可靠性问题却与封装生产密切相关。
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第五节金属硅化物技术
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第五节：金属硅化物技术金属硅化物工艺技术内容简述：随着集成电路工艺制程技术的不断发展，为了提高集成电路的集成度，同时提升器件的工作速度和降低它的功耗，半导体工艺的特征尺寸不断缩小，晶体管的栅、源和漏有源区的尺寸也会相应缩小，而它们的等效串联电阻会相应变大，从而影响电路的速度。
为了改善等效串联电阻，半导体业界先后发展出金属硅化物工艺技术Polycide和Salicide。
最先出现的金属硅化物工艺技术是Polycide工艺技术，Polycide工艺技术是为了改善多晶硅栅的等效串联电阻和接触孔的接触电阻，Polycide工艺技术仅仅在多晶硅栅上形成金属硅化物，源和漏有源区不会形成金属硅化物，所以它没有办法改善晶体管源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻。
为了改善晶体管源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻而发展出Salicide工艺技术，Salicide工艺技术不仅在多晶硅栅上形成金属硅化物，而且在源和漏有源区也会形成金属硅化物，它同时改善晶体管的栅、源和漏有源区的等效串联电阻和接触孔的接触电阻。
本文摘选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第五节的内容，这部分内容简单介绍了Polycide工艺技术、Salicide工艺技术和SAB工艺技术的原理，并以纳米级工艺形成ESD器件和Non-Salicide器件为例介绍SAB和Salicide工艺技术的工程应用。
3.5 金属硅化物技术-------------------------------------------------------------------------------------------------3.5.1 Polycide工艺技术--------------------------------------------------------------------------------------3.5.2 Salicide工艺技术---------------------------------------------------------------------------------------3.5.3 SAB工艺技术--------------------------------------------------------------------------------------------3.5.4 SAB和Salicide工艺技术的工程应用------------------------------------------------------------3.5 金属硅化物技术当半导体工艺的特征尺寸缩小到亚微米以下时，晶体管的栅、源和漏有源区的尺寸宽度也会相应缩小，而它们的等效串联电阻会相应变大，从而影响电路的速度。
高中物理第二章电路第七节了解集成电路课件粤教版选修3-
①“与”逻辑电路．
②“与”门的逻辑符号．
③ “与”门的真值表.
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
④“与”门反映的逻辑关系：Y＝A×B. 注意：在理解“与”门电路的逻辑功能时，要注意以 下两点： A．当所有的输入均为“1”时，输出才是“1”． B．我们在使用“与”门电路时，可以不关心其内部 结构，但必须弄清它的逻辑功能． (2)“或”门：如果几个条件中，只要有一个条件得 到满足，某事件就会发生，这种关系叫作“或”逻辑关系．具 有“或”逻辑关系的电路叫作“或”门．
答案：ABC
拓展 门电路及集成电路的理解
1944 年，在哈佛大学诞生的“马克 1 号”计算机， 长 15 米，高 2.4 米，在计算机内部进行控制的是 3 000 多个继电器，进行一次 23 位乘法运算需要 6 s．如今，我 们使用的个人计算机，其功能已经远远超过了这个庞然大 物，你知道现代计算机的工作原理吗？
(3)“与”门的符号为
；“或”门的符号为
；
“非”门的符号为 ．
2．门电路的实验探究． (1)与门电路的逻辑功能． (2)或门电路的逻辑功能． (3)非门电路的逻辑功能． 3．集成电路的概述． (1)概述：集成电路是把晶体管、电阻、电容等元件， 按电路结构的要求，制作在一块硅或陶瓷基片上，再加以
封装而成的，具有一定功能的整体电路．
①“或”逻辑电路．
②“或”门的逻辑符号．
③ “或”门的真值表.
输入
结果
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术
《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术内容简述：为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小。
但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是等比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强，当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应（Hot carrier Inject --HCI）。
因为热载流子注入效应会导致几个严重的问题，最终使器件和芯片失效。
为了改善热载流子注入效应，半导体研发人员提出利用降低漏端与衬底pn结附近的峰值电场强度的LDD工艺技术来改善热载流子注入效应。
3.4 热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------------------3.4.1 热载流子注入效应简介-----------------------------------------------------------3.4.2 双扩散漏（DDD）和轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------3.4.3 隔离侧墙（Spacer Sidewall）工艺技术--------------------------------------3.4.4 轻掺杂漏离子注入和隔离侧墙工艺技术的工程应用-----------------------3.4热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术3.4.1热载流子注入效应简介为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小，但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是按比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强。
当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应(Hot Carrier Inject - HCI)。
大规模集成电路(3)
存储单元有 2n • m(或阵列中的节点数)
25
作业题 8-1 8-2 8-3 8-5 8-6
2021/3/9
26
保存的信息不易丢失。 动态存储单元：利用MOS的栅极电容来存储信
息。由于电容的容量很小，以及漏电流的存在，为 了保持信息，必须定时给电容充电，通常称为刷新。
2021/3/9
14
一.六管静态存储单元
图8-2-3所示为用6只N沟道增强型MOS管组成的静态单元,其中 T1~T2管组成RS触发器,T5~T6管为门控管,作为模拟开关使用,以 控制触发器的Q端、Q 端与位线Bj、B之间的联系。现在分析 它的工作原理：Biblioteka 2021/3/916
三.RAM容量的扩展
1.1024*4位RAM
图8-2-7为1024*4位RAM的结构框图,其中4096个存储单元 排列成64*64矩阵,10位地址码分成两组译码,A4~A9,6位地址 码加到行地址译码器上,其译码器的输出为X0~X63,从64行存 储单元中选出指定的一行,另外4位地址码加到列地址译码器, 其输出为Y0~15,再从已选中的一行里选出要进行读/写的4个 存储单元.
2021/3/9
19
256×8RAM需256×1RAM的芯片数为：
N
总存储容量 一片存储容量
2568 2561
8
将256×1的图R8A-1M0 扩RA展M为位扩25展6×8的RAM
2021/3/9
20
3. 字扩展法
将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，
而位数不变的存储器。
例：由1024×8的 RAM扩展为4096×8的RAM。
第八章 大规模集成电路
大规模集成电路是指集成度达到每片包含1000个元件（或 等效100个门）以上的集成电路，而超超大规模的集成电路， 每片元件数可达百万个。
25
作业题 8-1 8-2 8-3 8-5 8-6
2021/3/9
26
保存的信息不易丢失。 动态存储单元：利用MOS的栅极电容来存储信
息。由于电容的容量很小，以及漏电流的存在，为 了保持信息，必须定时给电容充电，通常称为刷新。
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14
一.六管静态存储单元
图8-2-3所示为用6只N沟道增强型MOS管组成的静态单元,其中 T1~T2管组成RS触发器,T5~T6管为门控管,作为模拟开关使用,以 控制触发器的Q端、Q 端与位线Bj、B之间的联系。现在分析 它的工作原理：Biblioteka 2021/3/916
三.RAM容量的扩展
1.1024*4位RAM
图8-2-7为1024*4位RAM的结构框图,其中4096个存储单元 排列成64*64矩阵,10位地址码分成两组译码,A4~A9,6位地址 码加到行地址译码器上,其译码器的输出为X0~X63,从64行存 储单元中选出指定的一行,另外4位地址码加到列地址译码器, 其输出为Y0~15,再从已选中的一行里选出要进行读/写的4个 存储单元.
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256×8RAM需256×1RAM的芯片数为：
N
总存储容量 一片存储容量
2568 2561
8
将256×1的图R8A-1M0 扩RA展M为位扩25展6×8的RAM
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3. 字扩展法
将多片存储器经适当的连接，组成字数更多，
而位数不变的存储器。
例：由1024×8的 RAM扩展为4096×8的RAM。
第八章 大规模集成电路
大规模集成电路是指集成度达到每片包含1000个元件（或 等效100个门）以上的集成电路，而超超大规模的集成电路， 每片元件数可达百万个。
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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
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。
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
数
据 信
插拔方向
号
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。
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
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。
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
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
• 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。
• 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
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。
• 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。
• 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
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
• 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。
• 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。
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
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）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。
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。
• （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
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。
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
数
据 信
插拔方向
号
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。
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
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。
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
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
• 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。
• 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
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。
• 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。
• 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
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
• 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。
• 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。
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
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）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。
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。