数字集成电路的分类.doc

数字集成电路的分类 数字集成电路有多种分类方法，以下是几种常用的分类方法。1. 按结构工艺分按结构工艺分类，数字集成电路可以分为厚膜集成电路、薄膜集成电路、混合集成电路、半导体集成电路四大类。图如下所示。世界上生产最多、使用最多的为半导体集成电路。半导体数字集成电路（以下简称数字集成电路）主要分为TTL、CMOS、ECL三大类。ECL、TTL为双极型集成电路，构成的基本元器件为双极型半导体器件，其主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。双极型集成电路主要有 TTL(Transistor-Transistor Logic)电路、ECL(Emitter Coupled Logic)电路和IL(Integrated Injection Logic)电路等类型。其中TTL电路的性能价格比最佳，故应用最广泛。ECL，即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。在所有数字电路中，它工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。这种门电路输出阻抗低，负载能力强。它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗大。MOS电路为单极型集成电路，又称为MOS集成电路，它采用金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造，其主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。 MOS集成电路又分为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，复合互补金属氧化物半导体)等类型。MOS电路中应用最广泛的为CMOS电路，CMOS数字电路中，应用最广泛的为4000、4500系列，它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能也很好，它与TTL电路一起成为数字集成电路中两大主流产品。CMOS数字集成电路电路主要分为4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，实际上这三大系列之间的引脚功能、排列顺序是相同的，只是某些参数不同而已。例如，74HC4017与CD4017为功能相同、引脚排列相同的电路，前者的工作速度高，工作电源电压低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅栅工艺和双缓冲输出结构。Bi-CMOS是双极型CMOS（Bipolar-CMOS）电路的简称，这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOS结构，输出级采用双极型三极管，因此兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点。（1） TTL类型这类集成电路是以双极型晶体管（即通常所说的晶体管）为开关元件，输入级采用多发射极晶体管形式，开关放大电路也都是由晶体管构成，所以称为晶体管-晶体管-逻辑，即Transistor-Transistor-Logic，缩写为TTL。TTL电路在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。它的品种丰富、互换性强，一般均以74（民用）或54（军用）为型号前缀。 74LS系列（简称LS，LSTTL等）。这是现代TTL类型的主要应用产品系列，也是逻辑集成电路的重要产品之一。其主要特点是功耗低、品种多、价格便宜。 74S系列（简称S，STTL等）。这是TTL的高速型，也是目前应用较多的产品之一。其特点是速度较高，但功耗比LSTTL大得多。 74ALS系列（简称ALS，ALSTTL等）。这是LSTTL的先进产品，其速度比LSTTL提高了一倍以上，功耗降低了一倍左右。其特性和LS系列近似，所以成为LS系列的更新换代产品。 74AS系列（简称AS，ALSTTL等）。这是S TTL（抗饱和TTL）的先进型，速度比STTL提高近一倍，功耗比STTL降低一倍以上，与ALSTTL系列合并起来成为TTL类型的新的主要标准产品。 74F系列（简称F，FTTL或FAST等）。这是美国（仙童）公司开发的相似于ALS、AS的高速类TTL产品，性能介于ALS和AS之间，已成为TTL的主流产品之一。（2） ECL类型ECL（Emitter Coupled Logic的缩写）门是双极型逻辑门的一种非饱和型的门电路，它的电路构成和差分放大器外形相似，但工作在开关状态，即截止与放大两种工作状态。它是非饱和的发射极耦合形式的电源开关，故称为发射极耦合逻辑（ECL）。由于它工作在非饱和状态，其突出优点是开关速度非常高，在逻辑上具有灵活性，所以ECL门是高速逻辑门电路中的主要类型。同时，这类电路还具有逻辑功能强、扇出能力高、噪声低和引线串扰小等优点。因此，广泛应用于高速大型计算机、数字通信系统、高精度测试设备等方面。此类电路的缺点是功耗大，此外，由于电源电压和逻辑电平特殊，使用上难度略高。通用的ECL集成电路系列主要有ECL10K系列和ECL100K系列等。 ECL10K系列是门电路传输延迟时间为20ns、功耗为25mw的逻辑电路系列，属于ECL中的低功耗系列，是目前应用很广泛的一种ECL集成电路系列。 ECL100K系列，最初由美国FSC（仙童公司）生产，是现代数字集成电路系列中性能最优越的系列，其最大特点是速度高。同时还具有逻辑功能强、集成度高和功耗低等特点。因此，它已广泛应用于大型高速电子计算机和超高速脉码调制器等领域中。（3） CMOS类型CMOS类型集成电路是互补金属氧化物半导体数字集成电路的简称，这里C表示互补的意思，这是由P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体管组合而成的。CMOS电路首先由美国无线电公司（RCA）实验室研制成功的。由于电路具有微功耗、集成度高、噪声容限和宽工作电压范围等许多突出的优点，所以发展速度很快，应用领域不断扩大，现在几乎渗透到所有的相关领域。尤其是随着大规模和超大规模集成电路的工作速度和密度不断提高、过大的功耗已成为设计上的一个难题。这样，具有微功耗特点的CMOS电路已成为现代集成电路中重要的一类，并且越来越显示出它的优越性。CMOS电路的产品主要有：4000B（包括4500B），40H，74HC系列。 4000B系列。这是国际上流行的CMOS通用标准系列，例如，美国无线电公司（RCA）的CD4000B，摩托罗拉（MOTA）的4500B和MC4000系列，国家半导体（NS）公司的MM74C000系列和CD4000系列，德克萨斯公司（TI）的TP4000系列，仙童（FS）公司的F4000系列，日本东芝公司的TC4000系列，日立公司的HD14000系列。国内采用CC4000标准，这个标准与CD4000B系列完全一致，从而使国产CMOS电路与国际上的CMOS电路兼容。4000B系列的主要特点是速度低、功耗最小、并且价格低、品种多。 40H系列。这是日本东芝公司初创的较高速铝栅CMOS，以后由夏普公司生产，分别用TC40H-，LR40H-为型号，我国生产的定为CC40系列。40H系列的速度和N-TTL相当，但不及LS-TTL。此系列品种不太多，其优点是引脚与TTL类的同序号产品兼容，功耗、价格比较适中。 74HC系列（简称HS或H-CMOS等）。这一系列首先由美国NS，MOTA公司生产，随后，许多厂家相继成为第二生产源，品种丰富，且引脚和TTL兼容。此系列的突出优点是功耗低、速度高。国内外74HC系列产品各对应品种的功能和引脚排列相同，性能指标相似，一般都可方便地直接互换及混用。国内产品的型号前缀一般用国标代号CC，即CC74HC。（4） 各类数字集成电路的性能为了系统地掌握各类数字集成电路的主要性能，便于实际应用时选择合适的器件，现将各类数字电路的主要性能和特点进行比较，如表1所示。表1 各类数字电路的性能性 能 名 称单 位LSTTLECLPMOSNMOSCMOS主要特点高速低功耗超高速低速廉价高集成度微功耗高抗干扰电源电压V55.2+2012.538单门平均延迟时间ns9.52100010050单门静态功耗mW22550.50.01速度功耗积（SP）PJ1950100100.5直流噪声容限V0.40.14521电源的40扇出能力102010020101000下面对表1中所列的主要性能作一说明。 表1所列出的各种技术数据各种技术数据均为一般产品的平均数据，与各公司生产的各品种的集成电路实际情况有可能不完全相同。因而具体选用时，还需查更详细的资料。 电源电压TTL类型的标准工作电压都是+5V，其他逻辑器件的工作电压一般都有较宽的允许范围。特别是MOS器件，如CMOS中的4000B系列可以工作在318V；PMOS一般可工作在1024V；HCMOS系列为26V。另外，在使用各种器件组成系统时，要注意各种相互连接的器件必须使用同一电源电压，否则，就可能不满足0，1（或L、H）电平的定义范围，而造成工作异常。 单门平均延时单门平均延时是指门传输延迟时间的平均值tpd，它是衡量电路开关速度的一个动态参数，用以说明一个脉冲信号从输入端经过一个逻辑门，再从输出端输出要延迟多少时间。把输出电压下降边的50对于输入电压上升边的50的时间间隔称为导通延迟时间，即tPHL，把输出电压上升边的50对于输入电压下降边的50的时间间隔称为关闭延迟时间，即 tPLH，平均延迟时间tpd定义为：tpd=(tPHL+tPLH)/2。如TTL与非门，一般要求tpd=1040ns之间，通常把tpd为40160ns的称为低速集成电路，1540ns的称为中速集成电路，615ns的称为高速集成电路，tpd6ns的称为甚高速集成电路。由表可见，ECL的速度最高，而PMOS的速度最低。 单门静态功耗单门静态功耗是指单门的直流功耗，它是衡量一个电路质量好坏的重要参数。静态功耗等于工作电源电压及其泄漏电流的乘积，一般说静态功耗越小，电路的质量越好，由表中可知CMOS电路静态功耗是极微小的，因此对于一个由CMOS器件组成的工作系统来说，静态功耗与总功耗相比常可以忽略不计。 速度功耗积（SP）速度功耗积（SP）也叫时延功耗积，它是衡量逻辑集成电路性能优劣的一个很重要的基本特征参数。不论何种数字集成电路，其平均延迟时间都要受到消耗功率的制约。一定形式的数字逻辑电路，其消耗功率的大小约反比于平均延时，因此，一般用每门（电路）的平均延迟时间tpd与功耗Pd的乘积来表征数字集成电路的优劣，这个乘积就是速度功耗（SP），即SP=tpdPd。式中SP的单位为pJ（皮焦耳），tpd的单位为ns，Pd的单位为mw。通常，SP越小，电路性能越好。在选用电路时，SP是一个需要考虑的重要参数。但一般不能仅仅依据SP来选择，还必须根据实际情况，同时兼顾速度（或功耗），抗干扰性能和价格等因素。 直流噪声容限直流噪声容限又称抗干扰度，它是度量逻辑电路在最坏工作条件下的抗干扰能力的直流电压指标。该电压值常用VNM表示或VNL及VNH表示。它是指逻辑电路输入与输出各自定义1电平和0电平的差值大小，TTL类电路只能用5V电源，输入1电平定义为2V，0电平定义为0.8V，输出电平定义是1电平2.7V，0电平0.4V，所以l电平的VNH=2.7V-2V=0.7V，0电平的VNL=0.8V0.4V=0.4V。对ECL类来说，电源多用5.2V，VNH1(1.1)=0.1V，VNL1.5(1.6)=0.1V。CMOS及HCMOS可以在很宽的范围内工作，输出电平接近电源电压范围，而输入电平范围不论1电平还是0电平，均可达到45VCC，也就是VNM45VCC，最低限度可以达到VNL19VCC，VNH29VCC。VCC越高则噪声容限也越大，也即VCC高则抗干扰能力强。 扇出能力扇出能力也就是输出驱动能力，它是反映电路带负载能力大小的一个重要参数，表示输出可以驱动同类型器件的数目。如TTL标准门电路的扇出能力为10，就表示这个门电路的输出最多可以和10个同类型的门电路的标准输入端连接。表1中所列出的是各种数字集成电路的直流扇出能力的理论值，对于CMOS，HCMOS来说，静态时扇出能力很大，尽管输出电流一般仅在0.5mA以内，但因其输入电流仅有几纳安（nA）上下，所以，直流扇出能力可达1000以上，甚至更大。但是它们的交流（动态）扇出能力就没有这样高，要根据工作频率（速度）和输入电容量（一般约5pF）来考虑决定。在微机系统的接口电路中，常用CMOS（HCMOS）电路驱动TTL一类电路，表2给出了CMOS驱动LS-TTL和S-TTL的输入端数目的比较，其中，4049UB因内部无输出缓冲级（型号尾带U的是仅一级CMOS反相器），虽对直流来说也能驱动一个S-TTL的输入端，但由于CMOS的上升/下降延迟时间长，用于驱动S-TTL是不合适的。表2 CMOS的驱动能力接收端驱动源LS-TTLS-TTL4000B系列4011B4049UB1801TC40H系列CC40H系列TC40H000TC50H000250174HC系列74HC00102LS-TTL系列74LS00204从表2中可以看出，74HC的驱动能力接近LS-TTL，40H系列的驱动能力较次。另外，ECL电路的直流扇出能力也是比较大的，这是由于ECL电路的输入阻抗高，输出阻抗低所致。但是，ECL电路的实际扇出能力还要受到交流因素的制约，一般来说主要受容性负载的影响（ECL10K系列每门输入电容约为3pF），因为电路的交流性能与容性负载直接有关，容性负载越大，交流性能就越差。所以，在实际应用中，为了使电路获得良好的交流性能，一般希望将门的负载数（扇出数）控制在10个以内。2. 按集成电路规模的大小分根据集成电路规模的大小，数字集成电路通常分为小规模集成电路（SSI） 、中规模集成电路（MSI） 、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。(1) 小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI） 小规模集成电路通常指含逻辑门个数小于10 门(或含元件数小于100个)的电路。(2) 中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI） 中规模集成电路通常指含逻辑门数为10门99门(或含元件数100个999个)的电路。(3) 大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）大规模集成电路通常指含逻辑门数为1000门9999门(或含元件数1000个99999个)的电路。(4) 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）超大规模集成电路通常指含逻辑门数大于10000 门(或含元件数大于100000个)的电路。 3. 按电路的功能分（1）门电路 与门/与非门、或门/或非门、非门等。（2） 触发器 锁存器 R-S触发器、D触发器、J-K触发器等（3） 编码器 译码器 二进制十进制译码器、BCD7段译码器等。（4）计数器 二进制、十进制、N进制计数器等。（5）运算电路 加/减运算电路、奇偶校验发生器、幅值比较器等。（6） 时基 定时电路 单稳态电路 、延时电路等。（7） 模拟电子开关 数据选择器 （8） 寄存器 基本寄存器、移位寄存器（单向、双向）。（9） 存储器 RAM、ROM、E2PROM、Flash ROM等。（10） CPU 二、 数字集成电路的命名1. 数字集成电路型号的组成及符号的意义数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。如表01所示为TTL 74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义。 （1）. TTL 74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义表01 TTL74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义 第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分前缀产品系列器件类型器件功能器件封装形式、温度范围符号意义符号意义符号意义符号意义54军用电路-55+125oC标准电路阿拉伯数字器件功能W陶瓷扁平H高速电路B塑封扁平代表制造厂商S肖特基电路F全密封扁平74民用通用电路LS低功耗肖特基电路D陶瓷双列直插ALS先进低功耗肖特基电路P塑封双列直插AS先进肖特基电路（2）. 4000系列集成电路的组成及符号意义4000系列CMOS器件型号的组成及符号的意义见表02。表02 4000系列CMOS器件型号的组成及符号意义 第1部分第2部分第3部分第4部分型 号 前 缀的意 义器 件 系 列器 件 种 类工作温度范围、封装形式 代表制造厂商符 号意 义符 号意 义符号意 义CD美国无