主板cmos电路分析-CMOS电路分析ESD保护结构的设计

cmos电路简介

CMOS电路是互补型金属氧化物半导体电路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字头缩写，它由绝缘场效应晶体管组成，由于只有一种载流子，因而是一种单极型晶体管集成电路，其基本结构是一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管，如下图所示。

CMOS电路基本结构示意图

cmos电路工作原理

cmos电路分析工作原理如下：

由于两管栅极工作电压极性相反，故将两管栅极相连作为输入端，两个漏极相连作为输出端，如图1(a)所示，则两管正好互为负载，处于互补工作状态。

当输入低电平(Vi=Vss)时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出高电平，如图1(b)所示。

当输入高电平（Vi=VDD）时，PMOS管截止，NMOS管导通，输出为低电平，如图1(c)所示。

两管如单刀双掷开关一样交替工作，构成反相器。

主板CMOS电路分析

一、主板CMOS电路分析-主板CMOS电路组成

1. CMOS电路由于要保存CMOS存储器中的信息，在主板断电后，由一块纽扣电池供电使CMOS电路正常工作，保证CMOS存储器中的信息不丢失。CMOS电路在得到不间断的供电和外围专用晶振提供的时钟信号后，将一直处于工作状态，可随时参与唤醒任务（即开机）。

2. CMOS电路主要由CMOS随机存储器．实时时钟电路（包括振荡器．晶振、谐振电容 等）、跳线、南桥芯片、电池及供电电路等几部分组成。

二、主板CMOS电路分析-CMOS随机存储器

CMOS随机存储器的作用是存储系统日期、时间、主板上存储器的容量、硬盘的类型和数目、显卡的类型，当前系统的硬件配置和用户设置的某些参数等重要信息，开机时由BIOS对系统自检初始化后，将系统自检到的配置与CMOS随机存储器中的参数进行比较，正确无误后才启动系统。

三、主板CMOS电路分析-实时时钟电路

1.实时时钟电路的作用是产生32. 768kHz的正弦波形时钟信号，负责向CMOS电路和开机电路提供所需的时钟信号(CLK)。实时时钟电路主要包括振荡器（集成在南桥中）、32.768kHz的晶振、谐振电容等元器件。

CMOS电路分析ESD保护结构的设计

大部分的ESD电流来自电路外部，因此ESD保护电路一般设计在PAD旁，I/O电路内部。典型的I/O电路由输出驱动和输入接收器两部分组成。ESD 通过PAD导入芯片内部，因此I/O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路，将ESD电流引入电压线，再由电压线分布到芯片各个管脚，降低ESD的影响。具体到I/O电路，就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器，必须保证在ESD发生时，形成与保护电路并行的低阻通路，旁路 ESD电流，且能立即有效地箝位保护电路电压。而在这两部分正常工作时，不影响电路的正常工作。

常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅等。由于MOS管与CMOS工艺兼容性好，因此常采用MOS管构造保护电路。

CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n(源极-p型衬底-漏极)晶体管，这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。利用这一现象可在较小面积内设计出较高ESD耐压值的保护电路，其中最典型的器件结构就是栅极接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。

在正常工作情况下，NMOS横向晶体管不会导通。当ESD发生时，漏极和衬底的耗尽区将发生雪崩，并伴随着电子空穴对的产生。一部分产生的空穴被源极吸收，其余的流过衬底。由于衬底电阻Rsub的存在，使衬底电压提高。当衬底和源之间的PN结正偏时，电子就从源发射进入衬底。这些电子在源漏之间电场的作用下，被加速，产生电子、空穴的碰撞电离，从而形成更多的电子空穴对，使流过n-p-n晶体管的电流不断增加，最终使NMOS晶体管发生二次击穿，此时的击穿不再可逆，则NMOS管损坏。

为了进一步降低输出驱动上NMOS在ESD时两端的电压，可在ESD保护器件与GGNMOS之间加一个电阻。这个电阻不能影响工作信号，因此不能太大。画版图时通常采用多晶硅(poly)电阻。

只采用一级ESD保护，在大ESD电流时，电路内部的管子还是有可能被击穿。GGNMOS导通，由于ESD电流很大，衬底和金属连线上的电阻都不能忽略，此时GGNMOS并不能箝位住输入接收端栅电压，因为让输入接收端栅氧化硅层的电压达到击穿电压的是GGNMOS与输入接收端衬底间的IR压降。为避免这种情况，可在输入接收端附近加一个小尺寸GGNMOS进行二级ESD保护，用它来箝位输入接收端栅电压，如下图所示。

常见ESD的保护结构和等效电路

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