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CMOS集成电路设计综述
摘要：CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。CMOS集成电路是目前大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路中广泛应用的一种电路结构，相对于传统的双极型、NMOS和PMOS集成电路而言，其在功率消耗、噪声抑制等方面具有明显的优势。
关键词：CMOS ；集成电路；优势

1 引 言
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。CMOS ROM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。
1.1 国内外技术现状及发展趋势
目前,以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业,成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%,现代经济发展的数据表明,每l~2元的集成电路产值,带动了10元左右电子工业产值的形成,进而带动了100元GDP的增长。目前,发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山(2001年为43.6%)。预计未来10年内,世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长,2010年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点,拥有自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。
集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。
1.2 我国集成电路产业现状
我国集成电路产业起步于20世纪60年代,2001年全国集成电路产量为64亿块,销售额200亿元人民币。2002年6月,共有半导体企事业单位(不含材料、设备)651家,其中芯片制造厂46家,封装、测试厂108家,设计公司367家,分立期间厂商130家,从业人员11.5万人。设计能力0.18~0.25微米、700万门,制造工艺为8英寸、0.18~0.25微米,主流产品为0.35~0.8微米。
与国外的主要差距:一是规模小,2000年,国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%,占国内市场的20%；二是档次低,主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱,设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想,其结果是今天受制于人,明天后劲乏力；四是人才欠缺。
总之,我国绝大多数电子产品仍处于流通过程中的下端,多数组装型企业扮演着为国外集成电路厂商打工的角色,这种脆弱的规模经济模式,因其附加值极低,致使诸多产量世界第一的产品并未给企业和国家带来可观的收益,反而使掌握关键技术的竞争者通过集成电路打入中国市场,攫取了绝大部分的利润。
2 CMOS集成电路简介
2.1 CMOS集成电路简介
早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A（DIP封装），共有64个字节存放系统信息。386以后的微机一般将MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中（如82C206，PQFP封装），586以后主板上更是将CMOS与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做DALLDA DS1287的芯片中。随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOS ROM一般都有128字节及至256字节的容量。为保持兼容性，各BIOS厂商都将自己的BIOS中关于CMOS ROM的前64字节内容的设置统一与MC146818A的CMOS ROM格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的BIOS芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对CMOS信息重新设置以确保系统正常运行。
在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是CPU中的一块只读的ROM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。
在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件，尤其是片幅规格较大的单眼数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数码讯号输出。
2.2 CMOS集成电路的优势
CMOS集成电路是目前大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路中广泛应用的一种电路结构，相对于传统的双极型、NMOS和PMOS集成电路而言，其在功率消耗、噪声抑制等方面具有明显的优势。主要体现在功耗低、工作电压范围宽、逻辑摆幅大、抗干扰能力强、输入阻抗高、温度稳定性能好、扇出能力强、抗辐射能力强、可控性好、接口方便等方面。
3 CMOS集成电路的工作原理
3.1 CMOS集成电路的工作的基本原理
我们通过CMOS集成电路中的一个最基本电路-反相器（其他复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成）入手，分析一下它的工作过程。如图3-1所示。
利用一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管互补连接就构成了一个最基本的反相器单元电路如附图所示。图中VDD为正电源端，VSS为负电源端。电路设计采用正逻辑方法，即逻辑“1”为高电平，逻辑“0”为低电平。

图3-1 反相器单元
当输入电压VI为底电平“0”（VSS）时，N沟道MOS管的栅-源电压VGSN=0V（源极和衬底一起接VSS），由于是增强型管，所以管子截止，而P沟道MOS管的栅-源电压VGSN=VSS—VDD。若| VSS—VDD |>| VTP|（MOS管开启电压），则P沟道MOS管导通，所以输出电压V0为高电平“1”（VDD），实现了输入和输出的反相功能。
当输入电压VI为底电平“1”（VDD）时，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）> VGSN ，则N沟道MOS管导通，此时VGSN=0V， P沟道MOS管截止，所以输出电压V0为低电平“0”（VSS），与VI互为反相关系。
由上述分析可知，当输入信号为“0”或“1”的稳定状态时，电路中的两个MOS管总有一个处于截止状态，使得VDD和VSS之间无低阻抗直流通路，因此静态功耗极小。这便是CMOS集成电路最主要的特点。
3.2 CMOS集成电路应用常识
3.2.1 电路的极限范围
CMOS集成电路在使用过程中是不允许在超过极限的条件下工作的。当电路在超过最大额定值条件下工作时，很容易造成电路损坏，或者使电路不能正常工作。
应当指出的是：CMOS集成电路虽然允许处于极限条件下工作，但此时对电源设备应采取稳压措施。这是因为当供电电源开启或关闭时，电源上脉冲波的幅度很可能超过极限值，会将电路中各MOS晶体管电极之间击穿。上述现象有时并不呈现电路失效或损坏现象，但有可能缩短电路的使用寿命，或者在芯片内部留下隐患，使电路的性能指标逐渐变劣。
3.2.2 工作电压、极性及其正确选择
在使用CMOS集成电路时，工作电压的极性必须正确无误，如果颠倒错位，在电路的正负电源引出端或其他有关功能端上，只要出现大于0.5V的反极性电压，就会造成电路的永久失效。
虽然CMOS集成电路的工作电压范围很宽，如CC4000系列电路在3~18V的电源电压范围内都能正常工作，当使用时应充分考虑以下几点：
1）输出电压幅度的考虑
电路工作时，所选取的电源工作电压高低与电路输出电压幅度大小密切相关。由于CMOS集成电路输出电压幅度接近于电路的工作电压值，因此供给电路的正负工作电压范围可略大于电路要求输出的电压幅度。
2）电路工作速度的考虑
CMOS集成电路的工作电压选择，直接影响电路的工作速度。对CMOS集成电路提出的工作速度或工作频率指标要求往往是选择电路工作电压的因素。如果降低CMOS集成电路的工作电压，必将降低电路的速度或频率指标。
3）输入信号大小的考虑
工作电压将限制CMOS集成电路的输入信号的摆幅，对于CMOS集成电路来说，除非对流经电路输入端保护二极管的电流施加限流控制，输入电路的信号摆幅一般不能超过供给电压范围，否则将会导致电路的损坏。
4）电路功耗的限制
CMOS集成电路所选取的工作电压愈高，则功耗就愈大。但由于CMOS集成电路功耗极小，所以在系统设计中，功耗并不是主要考虑的设计指标。
3.2.3 输入和输出端使用规则
1）输入端的保护方法
在CMOS集成电路的使用中，要求输入信号幅度不能超过VDD—VSS。输入信号电流绝对值应小于10mA。如果输入端接有较大的电容C时，应加保护电阻R，如附图3-2所示。R的阻值约为几十欧姆至几十千欧姆。

图3-2 输入端的保护法
3）多余门的处置
CMOS集成电路在一般使用中，可将多余门的输入端接VDD或VSS，而输出端可悬空不管。当用CMOS集成电路来驱动较大输入电流的元器件时，可将多余门按逻辑功能并联使用。
4）输出端的使用方法
  在高速数字系统中，负载的输入电容将直接影响信号的传输速度，在这种情况下，CMOS集成电路的扇出系数一般取为10~20。此时，如果输出能力不足，通常的解决方法是选用驱动能力较强的缓冲器（如四同相/反相缓冲器CC4041），以增强输出端吸收电流的能力。
3.2.4 寄生可控硅效应的防护措施
由于CMOS集成电路的互补特点，造成了在电路内部有一个寄生的可控硅（VS）效应。
当CMOS集成电路受到某种意外因素激发，如电感、电火花，在电源上引起的噪声往往要超过CMOS集成电路的击穿电压（约25V）。这时，集成电路的VDD端和VSS端之间会出现一种低阻状态，电源电压突然降低，电流突然增加，如果电源没有限流措施，就会把电路内部连接VDD或VSS的铝线烧断，造成电路永久性损坏。
如果电源有一定的限流措施（例如电源电流限在250mA以内），在出现大电流、低电压状态时，及时关断电源，就能保证电路安全无损。重新打开电源，电路仍能正常工作。
简单的限流方法是用电阻和稳压管进行限流，如图3-3所示。图中稳压管的击穿电压就是CMOS集成电路的工作电压，电阻用来限流，电容用来提供电路翻转时所需的瞬态电流。

图3-3 简单限流法
寄生VS造成损坏的电路用万用表电阻挡就可判断。正常电路，VDD—VSS之间有二极管特性：VS烧毁的电路，VDD~VSS之间呈开路状态。
在系统中，被损坏的电路如果加交流信号，其输出电平范围很窄，既高电平不到VDD，低电平不到VSS，而且不能驱动负载。
正常的CMOS集成电路用JT-1晶体管特性测试仪测量，能得到如图3-2所示的击穿特性曲线。测试方法：VDD接正电源，VSS接地，所有的输入端接VDD或VSS，测量集成电路的击穿特性。

图3-4 击穿特性曲线
4 CMOS集成电路的接口电路
4.1 CMOS-TTL集成电路的接口
由于TTL的低电平输入电流1.6mA，而CMOS的低电平输出电流只有1.5mA，因而一般都得加一个接口电路。这里介绍一种采用单电源的接口电路。在图4-1中，门II起接口电路的作用，是CMOS集成电路缓冲/电平变换器，起缓冲驱动或逻辑电平变换的作用，具有较强的吸收电流的能力，可直接驱动TTL集成电路，因而连接简便。但是，使用时需要注意相位问题。电路中CC4049是六反相缓冲/变换器，而CC4050是六同相缓冲/变换器。
图4-1 CMOS-TTL集成电路接口
4.2 CMOS-HTL集成电路的接口
HTL集成电路是标准的工业集成电路，具有较高的抗干扰性能。由于CMOS集成电路的工作电压很宽，因而可与HTL集成电路共用+15V电源。此时，两者之间的VOH、VOL及IIH、IIL均互相满足，不必另设接口电路，直接相连即可，连接电路如图4-2所示。

图4-2 CMOS-HTL集成接口电路
4.3 CMOS-ECL集成电路的接口
　　ECL集成电路是一种非饱和型的数字逻辑电路。其工作速度居所有逻辑电路之首。ECL采用负电源供电。CMOS集成电路驱动ECL集成电路可使用单电源工作，如图4-3所示。ECL集成电路加-5.2V工作电压，CMOS的VDD接地，VSS接至-5.2V。以ECL集成电路CE10102为例，（CE10102内部包括4个2输入或非门），流入ECL的输入高电平电流IIH为265uA，输入高电平电压VIH为-1.105V, 在单电源下CMOS电路可以满足ECL集成电路的输入需要。

图4-3 CMOS-ECL集成电路接口
4.4 CMOS-NMOS集成电路的接口
CMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。
NMOS集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5V为多。CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻R，如图4-4所示，R的取值一般选用2~100KΩ。

图4-4 CMOS-NMOS集成接口电路
4.5 CMOS-PMOS集成电路的接口
PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电。如图4-5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式，一般CMOS的电源电压选择在10~12V就能满足PMOS对输入电平的要求。

图4-5 CMOS-PMOS集成电路接口
4.6 CMOS-晶体三极管VT的接口
图4-6（a）是CMOS集成电路驱动晶体三极管的接口。晶体三极管VT采用共发射极形式连接R1是VT的负载电阻，R1是VT的基极偏流电阻，R1的大小由公式R1=（VOH-VBH）β/IL决定。式中IL为负载电流。使用时应先根据VL和IL来选定VC，然后估算IB（IB=IL/β）是否在CMOS集成电路的驱动能力之内。如超出，可换用β值更高的晶体三极管或达林顿管，如图4-6（b）所示。晶体三极管VT按IL选定，IB=IL/（β1*β2），电阻R1的取值为：R1=（VOH -1.4）/(IB + 1.4/R2),式中R2是为改善电路的开关特性而引入的，其值一般取为4?10KΩ。

图4-6 CMOS-晶体三极管VT的接口
如果在低电源电压下工作的CMOS集成电路要驱动LED，或者使用负载能力较差的COOO系列CMOS集成电路驱动LED，均可能难以使LED发出足够明亮的光。解决办法是加一级晶体管驱动电路，以获得足够的驱动能力。
4.7 CMOS-可控硅VS的接口
一般中、小功率可控硅的触发电流约在10mA以下，故多数CMOS集成电路能够直接驱动可控硅。具体电路如图4-7所示。若需要更大的驱动电流，可改为CMOS缓冲器（例如CC4041）或缓冲/驱动器（例如CC40107），也可加一级晶体三极管电路。

图4-7 CMOS-可控硅VS的接口
5 CMOS集成电路使用注意事项
1) CMOS集成电路的安装
为了避免由于静电感应而损坏电路，焊接CMOS集成电路所使用的电烙铁必需良好接地，焊接时间不得超过5秒。最好使用20~25W内热式电烙铁和502环氧助焊剂，必要时可使用插座。
在接通电源的情况下，不应装拆CMOS集成电路。凡是与CMOS集成电路接触的工序，使用的工作台及地板严禁铺垫高绝缘的板材（如橡胶板、玻璃板、有机玻璃、胶木板等），应在工作台上铺放严格接地的细钢丝网或铜丝网，并经常检查接地可靠性。
2) CMOS集成电路的测试
测试时所有CMOS集成电路的仪器、仪表均应良好接地。如果是低阻信号源，应保证输入信号不超过CMOS集成电路的电源电压范围（CXXX系列为7~15V，C4000系列为3~18V），既VSS≤Vi≤VDD。如果输入信号一定要超过CMOS集成电路的电源电压范围，则应在输入端加一个限流电阻，使输入电流不超过5mA，以避免CMOS集成电路内部的保护二极管烧毁。
若信号源和CMOS集成电路用两组电源，开机时，应先接同CMOS集成电路电源，后接通信号源电源。关机时，应先关信号源电源，后关CMOS集成电路电源。
3) CMOS集成电路的保护措施
因为CMOS集成电路输入阻抗极高，随机的静电积累很可能使电路引出端任意两端的电压超过MOS管栅击穿电压，从而引起电路损坏。So，CMOS集成电路不用时应把电路的外引线全部短路，或放在导电的屏蔽容器内，以防被静电击穿。
4) CMOS集成电路的互换
在使用中有些CMOS集成电路是可以直接换用。如国产CC4000可与国外产品CD4000、MC14000系列直接代换。
对于那些管脚排列和封装形式完全一致，但电参数有所不同的CMOS集成电路，换用时要十分注意。如国产CC4000和CXXX中有些品种，它们的工作电压有所差异，CC4000为3~18V、CXXX为7~15V。换用时要考虑到电源供电及负载能力问题。另外，对于那些封装形式及管脚排列不同的CMOS集成电路，一般不能直接代换。如果需要换用，则应做一些相应的变换使两者功能相同的引出端一一对应。
6 小结
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息（如日期、时间、启动设置等）的芯片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。CMOS ROM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫做CMOS设置。
在今日，CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件，尤其是片幅规格较大的单眼数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数码讯号输出。
CMOS集成电路是目前大规模(LSI)和超大规模(VLSI)集成电路中广泛应用的一种电路结构，相对于传统的双极型、NMOS和PMOS集成电路而言，其在功率消耗、噪声抑制等方面具有明显的优势。