在上期的芝識課堂中，我們介紹了一部分CMOS邏輯IC設計的常見問題以及處理辦法。本期課堂將繼續探討如何優化CMOS邏輯IC的性能，特別是負載電容連接技巧和功耗計算，這些因素對于電路的設計極其重要。

負載電容和CMOS輸出引腳的連接問題

在將負載電容連接到CMOS集成電路（IC）的輸出引腳時，須謹慎選擇電容的大小。具體來說，大電容會增加CMOS輸出的傳輸延遲，并且電容的充/放電過程會增加進出的電流，這可能導致電路中的噪聲問題，甚至可能因電流過大而損壞連接引線。此外，由于電流在掉電時會流向輸出寄生二極管，因此大負載電容不可直接連接到CMOS IC上。

若需將電容器直接連接到CMOS IC的輸出端以增加其延遲時間或過濾噪聲，則應選擇500pF或更小的電容。當需要較大的電容時，應在IC輸出端和電容器之間連接限流電阻（R）。具有輸出容限功能的CMOS IC不需要限流電阻（R）來斷電。但可能需要一個限流電阻（R）來限制進入電容的充電電流。

不僅如此，大負載電容也不應直接連接到CMOS IC的輸入引腳。

當電容由于掉電而放電時，電流流向內部保護二極管，并通過輸入引腳返回到VCC。因此，大負載電容不能直接連接到輸入引腳。如果需要直接連接電容，推薦最高選擇500 pF的器件。如果需要更大的電容器，則應在IC輸入端和電容器之間連接限流電阻（Rs）。

連接大負載電容

計算工作電流和功耗

如何計算通用邏輯IC的功耗？可通過獲取靜態電流和動態電流，然后將該電流乘以施加到IC的電壓來計算通用邏輯IC的功耗。

靜態功耗：PS

當CMOS邏輯處于靜態（即當其輸入電壓幾乎保持不變）時，除了流過內部反向偏置pn結的微小漏電流（即靜態供電電流，ICC）以外，幾乎沒有電流流動。

靜態功耗是將ICC乘以供電電壓：PS＝VCC×ICC

VCC：施加在邏輯IC上的電壓。

ICC：如數據表所示的靜態供電電流。

靜態功耗：PL＋PPD

動態供電電流是指當輸入在高電平和低電平之間轉換時流過CMOS邏輯IC的電流。該電流在電容充放電過程中流動。必須同時考慮寄生電容（內部等效電容）和負載電容。

動態功耗是將動態供電電流乘以施加在p溝道或n溝道MOSFET上的電壓。為方便起見，以下計算將假定此電壓等于VCC，此時動態供電電流最大。

負載電容（CL）引起的動態功耗：PL

PL指外部負載充電和放電時的功耗，如右圖所示。

CL引起的動態功耗

存儲在負載電容上的電荷量（QL）計算為QL＝CL×VCC，CL為負載電容。

設輸出信號頻率為fOUT（＝1/TOUT），則平均電流（IL）表示為：IL＝QL／T＝CL×VCC×fOUT；因此，動態功耗（PL）為：PL＝VCC×IL＝CL×VCC2×fOUT；

如果一個IC有多個輸出，其動態功耗可計算如下：PL＝VCC2×Σ（CLn×fOUTn）

內部等效電容（CPD）引起的動態功耗：PPD

CMOS邏輯IC具有各種寄生電容，如右圖所示。這些電容可等效地表示為CPD（實際上，CPD的基于零負載條件下相對較高頻率（1 MHz）時的功耗計算得出的）。

PPD是IC的等效電容消耗的功率，可按與PL相同的方式考慮。但請注意，PPD的計算是基于輸入頻率（fIN）：PPD＝VCC×IL＝CPD×VCC2×fIN。

CPD引起的動態功耗

總功耗（PTTL）可以表示為靜態功耗（PS）和動態功耗（PL+PPD）之和：PTTL＝PS＋PL＋PPD。

輸入容限功能可用于電平轉換

輸入容限功能允許在電源激活時或電壓為0 V時，向輸入端施加高達最大工作電壓的電壓，允許電平從較高電壓轉換為較低電壓。例如，東芝的74VHC和74LCX系列可用于將5 V轉換至3 V，74VCX系列可用于將3V轉換至1.2 V。

無輸入容限和掉電保護功能的CMOS邏輯IC的等效輸入／輸出電路

在輸入側插入二極管以進行ESD防護。如果施加的電壓高于VCC或在IC關斷時施加電壓，則輸入端和電源之間的二極管可能會導通。在本例中，IC可能會被產生的大電流破壞。因此，通過使用具有輸入容限功能的IC，即輸入端和電源之間無二極管的IC，可以防止器件損壞。

掉電保護功能應用示例（局部掉電）

如果使用具有掉電保護功能的IC，則可以實現局部掉電。為降低功耗，具有兩個電壓范圍（VCC1和VCC2）的系統可以提供局部掉電模式。在該模式下，其中由VCC1運行的子系統將被關閉。例如，假設在電壓范圍VCC1使用74VHC系列。74VHC系列在輸出端和電源之間有一個非預期的寄生二極管。因此，當VCC2>VCC1時，該寄生二極管導通。在這種情況下，IC可能會被產生的大電流破壞。使用既沒有輸入也沒有輸出寄生二極管的IC（如74VHCT、74LCX和74VCX系列）可以防止器件損壞。這些系列提供掉電保護。

東芝每個系列都具有輸入容限和輸出掉電保護功能：

其中，TC4049BF/BP，TC4050BF/BP，TC74HC4049BP/BF/BFT，74HC4049D，TTC74HC4050BP/BF/BFT和74HC4050D具有允許從較高電壓到較低電壓電平轉換的輸入容限功能。

除這些使用事項和功能外，在使用CMOS邏輯IC時也應注意噪聲的危害。下期內容我們將進入實際的應用案例，學習電路設計中的噪聲以及應對策略，歡迎關注！

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