CMOS器件的输入信号上升时间为什么不能太长？

CMOS器件的输入信号上升时间或下降时间统称为输入转换时间，输入转换时间过长也称为慢CMOS输入。如果输入信号上升时间过长，超过器件手册允许的最大输入转换时间，则有可能在器件内部引起大的电流浪涌，造成器件损坏或引起器件输出电平翻转（输入原本为0，输出为1；或者相反情况）。

1.慢CMOS输入或浮空CMOS输入的特征

CMOS和BiCMOS系列器件都有一个CMOS输入结构。该结构是一个反相器（包括连接VCC的一个p沟道晶体管和连接GND的一个n沟道晶体管），如图1所示。

备注：图1中的ABT器件采用BiCMOS技术，Q1是双极晶体管，Qp和Qn是CMOS管子，ABT器件的输入为CMOS反相器（又叫倒相器、非门（NOT gate，非电路）和逻辑否定电路）；关于CMOS反相器，参见文档《CMOS功耗和Cpd计算》。

当输入为低电平，p沟道晶体管导通，n沟道晶体管截止，电流从VCC流出，节点被拉高；当输入为高电平，p沟道晶体管截止，n沟道晶体管导通，电流流入GND，节点被拉低。在两种情况下，没有电流从VCC流到GND。然而，当从一个状态转换到另一个状态时，输入穿过阈值区域，使得n沟道晶体管和p沟道晶体管同时导通，在VCC与GND之间形成电流路径。该电流浪涌可能是破坏性的，它取决于输入在阈值区域（0.8~2V）的时间长度。每个输入的供电电流（ICC）能够升到几mA，ICC在输入（VI）约为1.5V时最大，见图2。

备注：当输入穿过阈值区域，在VCC与GND之间的电流路径也叫直通电流，直通电流会造成器件的瞬态功耗，详情参见文档《CMOS功耗和Cpd计算》。从图2中看出，当输入电压在阈值区域内（0.8~2V）时，供电电流存在浪涌。

当开关状态在数据手册指定的输入转换时间限值内时，电流浪涌不是问题。对于具体器件，在数据手册的推荐工作条件表中指定输入转换时间限值，例子如图3所示。

2.慢输入沿率

随着速度增加，逻辑器件已经对慢输入沿率更敏感。慢输入沿率与噪声（当输出开关时，在电源上产生）一起能够引起大量输出错误或振荡。如果没有用到的输入管脚悬空或者未保持在一个有效的逻辑电平值，类似现象也能够发生。

这些功能问题是由在器件电源系统引起的电压瞬态造成的，在开关过程中，当输出负载电流（IO）流过寄生引线电感时产生电压瞬态，见图4。

因为器件的内部电源节点用作整个集成电路的电压参考，感应电压尖峰VGND影响出现在内部门结构的信号方式【指VI′=VI-VGND】。例如，当器件地节点的电压升高时，输入信号VI′看起来在幅度上减小。如果发生阈值违背(指输入信号原本为高电平，由于VI′小于器件输入端高电平的阈值VIH，造成输出错判为低电平；反之亦成立)，这种不期望现象随后能够错误地改变输出。

对于一个慢的输入上升沿，如果在GND的电压变化足够大【VGND】，器件的相对输入信号VI′看起来被驱动返回穿过输入阈值区（0.8~2V），输出开始从相反方向开关(指0变成1，1变成0)。如果最坏情况（所有输出同时开关，造成瞬态负载电流较大）频繁发生(参见图2和图3)，慢输入沿被重复地驱动返回穿过阈值区，引起输出振荡。因此，不应该违背器件的最大输入转换时间，也就不会造成对电路或外部封装的损坏。