CMOS器件的輸入信號上升時間為什么不能太長？

CMOS器件的輸入信號上升時間或下降時間統(tǒng)稱為輸入轉(zhuǎn)換時間，輸入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間，則有可能在器件內(nèi)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(zhuǎn)（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(jié)構。該結(jié)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。

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(jié)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(jié)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(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)時，輸入穿過閾值區(qū)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(qū)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。

備注：當輸入穿過閾值區(qū)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(tài)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(qū)域內(nèi)（0.8~2V）時，供電電流存在浪涌。

當開關狀態(tài)在數(shù)據(jù)手冊指定的輸入轉(zhuǎn)換時間限值內(nèi)時，電流浪涌不是問題。對于具體器件，在數(shù)據(jù)手冊的推薦工作條件表中指定輸入轉(zhuǎn)換時間限值，例子如圖3所示。

2.慢輸入沿率

隨著速度增加，邏輯器件已經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)象也能夠發(fā)生。

這些功能問題是由在器件電源系統(tǒng)引起的電壓瞬態(tài)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(chǎn)生電壓瞬態(tài)，見圖4。

因為器件的內(nèi)部電源節(jié)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(xiàn)在內(nèi)部門結(jié)構的信號方式【指VI′=VI-VGND】。例如，當器件地節(jié)點的電壓升高時，輸入信號VI′看起來在幅度上減小。如果發(fā)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(xiàn)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(qū)動返回穿過輸入閾值區(qū)（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(tài)負載電流較大）頻繁發(fā)生(參見圖2和圖3)，慢輸入沿被重復地驅(qū)動返回穿過閾值區(qū)，引起輸出振蕩。因此，不應該違背器件的最大輸入轉(zhuǎn)換時間，也就不會造成對電路或外部封裝的損壞。