CMOS器件的輸入信號(hào)上升時(shí)間為什么不能太長(zhǎng)？

CMOS器件的輸入信號(hào)上升時(shí)間或下降時(shí)間統(tǒng)稱為輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間，輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也稱為慢CMOS輸入。如果輸入信號(hào)上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)器件手冊(cè)允許的最大輸入轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)CMOS輸入結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是一個(gè)反相器（包括連接VCC的一個(gè)p溝道晶體管和連接GND的一個(gè)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(shù)，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(guān)于CMOS反相器，參見(jiàn)文檔《CMOS功耗和Cpd計(jì)算》。

當(dāng)輸入為低電平，p溝道晶體管導(dǎo)通，n溝道晶體管截止，電流從VCC流出，節(jié)點(diǎn)被拉高；當(dāng)輸入為高電平，p溝道晶體管截止，n溝道晶體管導(dǎo)通，電流流入GND，節(jié)點(diǎn)被拉低。在兩種情況下，沒(méi)有電流從VCC流到GND。然而，當(dāng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，輸入穿過(guò)閾值區(qū)域，使得n溝道晶體管和p溝道晶體管同時(shí)導(dǎo)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(shí)間長(zhǎng)度。每個(gè)輸入的供電電流（ICC）能夠升到幾mA，ICC在輸入（VI）約為1.5V時(shí)最大，見(jiàn)圖2。

備注：當(dāng)輸入穿過(guò)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(huì)造成器件的瞬態(tài)功耗，詳情參見(jiàn)文檔《CMOS功耗和Cpd計(jì)算》。從圖2中看出，當(dāng)輸入電壓在閾值區(qū)域內(nèi)（0.8~2V）時(shí)，供電電流存在浪涌。

當(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)在數(shù)據(jù)手冊(cè)指定的輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間限值內(nèi)時(shí)，電流浪涌不是問(wèn)題。對(duì)于具體器件，在數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦工作條件表中指定輸入轉(zhuǎn)換時(shí)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(duì)慢輸入沿率更敏感。慢輸入沿率與噪聲（當(dāng)輸出開(kāi)關(guān)時(shí)，在電源上產(chǎn)生）一起能夠引起大量輸出錯(cuò)誤或振蕩。如果沒(méi)有用到的輸入管腳懸空或者未保持在一個(gè)有效的邏輯電平值，類似現(xiàn)象也能夠發(fā)生。

這些功能問(wèn)題是由在器件電源系統(tǒng)引起的電壓瞬態(tài)造成的，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，當(dāng)輸出負(fù)載電流（IO）流過(guò)寄生引線電感時(shí)產(chǎn)生電壓瞬態(tài)，見(jiàn)圖4。

因?yàn)槠骷膬?nèi)部電源節(jié)點(diǎn)用作整個(gè)集成電路的電壓參考，感應(yīng)電壓尖峰VGND影響出現(xiàn)在內(nèi)部門結(jié)構(gòu)的信號(hào)方式【指VI′=VI-VGND】。例如，當(dāng)器件地節(jié)點(diǎn)的電壓升高時(shí)，輸入信號(hào)VI′看起來(lái)在幅度上減小。如果發(fā)生閾值違背(指輸入信號(hào)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(cuò)判為低電平；反之亦成立)，這種不期望現(xiàn)象隨后能夠錯(cuò)誤地改變輸出。

對(duì)于一個(gè)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(duì)輸入信號(hào)VI′看起來(lái)被驅(qū)動(dòng)返回穿過(guò)輸入閾值區(qū)（0.8~2V），輸出開(kāi)始從相反方向開(kāi)關(guān)(指0變成1，1變成0)。如果最壞情況（所有輸出同時(shí)開(kāi)關(guān)，造成瞬態(tài)負(fù)載電流較大）頻繁發(fā)生(參見(jiàn)圖2和圖3)，慢輸入沿被重復(fù)地驅(qū)動(dòng)返回穿過(guò)閾值區(qū)，引起輸出振蕩。因此，不應(yīng)該違背器件的最大輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間，也就不會(huì)造成對(duì)電路或外部封裝的損壞。