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数字集成电路的分类与特点 数字集成电路有双极型集成电路（如TTL、ECL）和单极型集成电路（如CMOS）两大类，每类中又包含有不同的系列品种 一、TTL数字集成电路 这类集成电路内部输入级和输出级都是晶体管结构，属于双极型数字集成电路。其主要系列有： 174 系列 这是早期的产品，现仍在使用，但正逐渐被淘汰。 274H 系列 这是74 系列的改进型，属于高速TTL产品。其“与非门”的平均传输时间达10ns左右，但电路的静态功耗较大，目前该系列产品使用越来越少，逐渐被淘汰。 374S 系列 这是TTL的高速型肖特基系列。在该系列中，采用了抗饱和肖特基二极管，速度较高，但品种较少。 474LS 系列 这是当前TTL类型中的主要产品系列。品种和生产厂家都非常多。性能价格比比较高，目前在中小规模电路中应用非常普遍。 574ALS 系列 这是“先进的低功耗肖特基”系列。属于74LS 系列的后继产品，速度（典型值为4ns）、功耗（典型值为1mW）等方面都有较大的改进，但价格比较高。 674AS 系列 这是74S 系列的后继产品，尤其速度（典型值为1.5ns）有显著的提高，又称“先进超高速肖特基”系列。 二、 CMOS集成电路 CMOS数字集成电路是利用NMOS管和PMOS管巧妙组合成的电路，属于一种微功耗的数字集成电路。主要系列有： 1标准型4000B/4500B系列 该系列是以美国RCA公司的CD4000B系列和CD4500B系列制定的，与美国Motorola公司的MC14000B系列和MC14500B系列产品完全兼容。该系列产品的最大特点是工作电源电压范围宽（318V）、功耗最小、速度较低、品种多、价格低廉，是目前CMOS集成电路的主要应用产品。 274HC 系列 54/74HC 系列是高速CMOS标准逻辑电路系列，具有与74LS 系列同等的工作度和CMOS集成电路固有的低功耗及电源电压范围宽等特点。74HCxxx是74LSxxx同序号的翻版，型号最后几位数字相同，表示电路的逻辑功能、管脚排列完全兼容，为用74HC替代74LS提供了方便。 374AC 系列 该系列又称“先进的CMOS集成电路”，54/74AC 系列具有与74AS系列等同的工作速度和与CMOS集成电路固有的低功耗及电源电压范围宽等特点。 CMOS集成电路的主要特点有： （1）具有非常低的静态功耗。在电源电压VCC=5V时，中规模集成电路的静态功耗小于100mW。（2）具有非常高的输入阻抗。正常工作的CMOS集成电路，其输入保护二极管处于反偏状态，直流输入阻抗大于100M。（3）宽的电源电压范围。CMOS集成电路标准4000B/4500B系列产品的电源电压为318V。（4）扇出能力强。在低频工作时，一个输出端可驱动CMOS器件50个以上输入端。（5）抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压值的45%，且高电平和低电平的噪声容限值基本相等。（6）逻辑摆幅大。CMOS电路在空载时，输出高电平VOHVCC-0.05V，输出低电平V0L0.05V。 数字集成电路的应用要点 仔细认真查阅使用器件型号的资料 对于要使用的集成电路，首先要根据手册查出该型号器件的资料，注意器件的管脚排列图接线，按参数表给出的参数规范使用，在使用中，不得超过最大额定值（如电源电压、环境温度、输出电流等），否则将损坏器件。 注意电源电压的稳定性 为了保证电路的稳定性，供电电源的质量一定要好，要稳压。在电源的引线端并联大的滤波电容，以避免由于电源通断的瞬间而产生冲击电压。更注意不要将电源的极性接反，否则将会损坏器件。 采用合适的方法焊接集成电路 在需要弯曲管脚引线时，不要靠近根部弯曲。焊接前不允许用刀刮去引线上的镀金层，焊接所用的烙铁功率不应超过25W，焊接时间不应过长。焊接时最好选用中性焊剂。焊接后严禁将器件连同印制线路板放入有机溶液中浸泡。 注意设计工艺，增强抗干扰措施 在设计印刷线路板时，应避免引线过长，以防止窜扰和对信号传输延迟。此外要把电源线设计的宽些，地线要进行大面积接地，这样可减少接地噪声干扰。 三、TTL集成电路使用应注意的问题 正确选择电源电压 TTL集成电路的电源电压允许变化范围比较窄，一般在4.5V5.5V之间。在使用时更不能将电源与地颠倒接错，否则将会因为过大电流而造成器件损坏。 对输入端的处理 TTL集成电路的各个输入端不能直接与高于+5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接。对多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平，并不影响“与门、与非门”的逻辑关系，但悬空容易接受干扰，有时会造成电路的误动作。因此，多余输入端要根据实际需要作适当处理。例如“与门、与非门”的多余输入端可直接接到电源Vcc上；也可将不同的输入端共用一个电阻连接到Vcc上；或将多余的输入端并联使用。对于“或门、或非门”的多余输入端应直接接地。对于触发器等中规模集成电路来说，不使用的输入端不能悬空，应根据逻辑功能接入适当电平。 对于输出端的处理 除“三态门、集电极开路门”外，TTL集成电路的输出端不允许并联使用。如果将几个“集电极开路门”电路的输出端并联,实现线与功能时，应在输出端与电源之间接入一个计算好的上拉电阻。集成门电路的输出更不允许与电源或地短路，否则可能造成器件损坏。 四、CMOS集成电路使用应注意的问题 1正确选择电源 由于CMOS集成电路的工作电源电压范围比较宽（CD4000B/4500B：318V），选择电源电压时首先考虑要避免超过极限电源电压。其次要注意电源电压的高低将影响电路的工作频率。降低电源电压会引起电路工作频率下降或增加传输延迟时间。例如CMOS触发器，当Vcc由+15V下降到+3V时，其最高频率将从10MHz下降到几十kHz。 防止CMOS电路出现可控硅效应的措施 当CMOS电路输入端施加的电压过高（大于电源电压）或过低（小于V），或者电源电压突然变化时，电源电流可能会迅速增大，烧坏器件，这种现象称为可控硅效应。 预防可控硅效应的措施主要有： （1）输入端信号幅度不能大于Vcc和小于0V。 （2）要消除电源上的干扰。 （3）在条件允许的情况下，尽可能降低电源电压。如果电路工作频率比较低，用+5V电源供电最好。 （4）对使用的电源加限流措施，使电源电流被限制在30mA以内。常用的电源限流电路。 对输入端的处理 在使用CMOS电路器件时，对输入端一般要求如下： （1）应保证输入信号幅值不超过CMOS电路的电源电压。即满足VSSVIVcc，一般VSSV。（2）输入脉冲信号的上升和下降时间一般应小于数ms，否则电路工作不稳定或损坏器件。（3）所有不用的输入端不能悬空，应根据实际要求接入适当的电压（Vcc或V）。由于CMOS集成电路输入阻抗极高，一旦输入端悬空，极易受外界噪声影响，从而破坏了电路的正常逻辑关系，也可能感应静电，造成栅极被击穿。 对输出端的处理 （1）CMOS电路的输出端不能直接连到一起。否则导通的P沟道MOS场效应管和导通的N沟道MOS场效应管形成低阻通路，造成电源短路。（2）在CMOS逻辑系统设计中，应尽量减少电容负载。电容负载会降低CMOS集成电路的工作速度和增加功耗。 （3）CMOS电路在特定条件下可以并联使用。当同一芯片上个以上同样器件并联使用（例如各种门电路）时，可增大输出灌电流和拉电流负载能力，同样也提高了电路的速度。但器件的输出端并联，输入端也必须并联。 （4）从CMOS器件的输出驱动电流大小来看，CMOS电路的驱动能力比TTL电路要差很多，一般CMOS器件的输出只能驱动一个LS-TTL负载。但从驱动和它本身相同的负载来看，CMOS的扇出系数比TTL电路大的多（CMOS的扇出系数500）。CMOS电路驱动其他负载，一般要外加一级驱动器接口电路。 数字集成电路的接口电路 在使用数字集成电路设计一个电子系统时，经常把不同类型的集成电路进行转接，这就需要增加接口电路，使各级电平或阻抗相匹配。 1TTL与CMOS接口 图(a)是TTL电路与CMOS电路采用不同电源电压时的接口电路。C是加速电容，能改善频率响应，使信号波形的上、下沿更加陡直。假如TTL与CMOS电路采用同样的电源（5V），为提高TTL输出的高电平，应在其输出端与+5V端接一只上拉电阻。电路如图(b)所示。 2CMOS电路驱动LED或继电器接口电路 图(a)电路是CMOS驱动小型直流继电器的接口电路。当CMOS输出高电平时，三极管饱和，继电器线圈有电流通过，继电器吸合，可驱动报警器或执行机构工作。反之，继电器不动作。为保护三极管，在继电器线圈两端并联续流二极管。注意极性不得接反，否则不仅起不到保护作用，还使继电器无法正常工作。 在数字仪器中，经常要用发光二极管（LED）作电平指示或工作指示灯。此时可将LED串一限流电阻代替三极管集电极负载。电路如图(b)。 3利用光电耦合器构成的接口电路 图电路是利用光电耦合器4N25组成的晶闸管触发接口电路。该电路由同相驱动器74LS07、4N25、三极管、变压器和整流电路等组成。触发电路使用独立电源，触发脉冲由A、B两端输出，A端为正输出端。当同相驱动器74LS07输出低电平时，光电耦合器的输出端导通，晶体管9013导通，A、B端有触发脉冲输出。反之，晶体管截止，触发脉冲结束。 图中是利用光电耦合器构成的另一种接口电路。用于触发双向晶闸管，不需要另外的触发电源，利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。MOC3021是双向晶闸管输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输入端控制电流小于15mA。当74LS07输出低电平时，MOC3021的输入端有电流流入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通。反之，MOC3021输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS在外部电压过零后也关断。 集成反相器与缓冲器 在数字电路中，反相器就是“非门”电路。其中74LS04是通用型六反相器。 与该器件具有相同的逻辑功能且管脚排列兼容的器件有：74HC04（CMOS器件）、CD4069（CMOS器件）等 74LS05也是六反相器，该器件的封装、引脚排列、逻辑功能均与74LS04相同，不同的是74LS05是集电极开路输出（简称OC门）。在实际使用时，必须在输出端至电源正端接一个1k3k的上拉电阻。 缓冲器:的输出与输入信号同相位，它用于改变输入输出电平以及提高电路的驱动能力。图(b)是集电极开路输出同相驱动器74LS07管脚排列图。该器件的输出管耐压为30V，吸收电流可达40mA左右。与之兼容的器件有74HC07（CMOS）、74LS17。 若需要更强的驱动能力门电路，可采用ULN2000A系列。该系列包括ULN2001AULN2005A。管脚排列如图(c)所示。内部有7个相同的驱动门。ULN2000A系列的吸收电流可达500mA,输出管耐压为50V左右，故它们有很强的低电平驱动能力，可用于小型继电器、微型步进电机的相绕组驱动。图所示电路为ULN2000A驱动一直流继电器的典型接法。 数字集成电路及应用 集成编码器 编码器的逻辑功能是将加在电路若干个输入端中的某一个输入端的信号变换成相应的一组二进制代码输出。常用的编码器集成电路有8/3线优先编码器和10/4线优先编码器等器件。 图4.5.1(a)是8/3线优先编码器74LS148的管脚排列图。I0I7是输入信号输入端，输入8个信号，低电平有效。C、B、A为三输出端，可组成8组二进制码输出，且为反码输出。在I0I7输入端中，优先权排列顺序为I7(最高)I0（最低）。74LS148编码器的真值表如表4-1所示。 图4.5.1(b)是10/4线优先编码器74LS147的管脚排列图。该器件无使能控制端。它有9根输入线I1I9，4根输出线DCBA，编码优先权顺序为I9（最高）I1（最低），输入为低电平有效，输出为反码输出。74LS147编码器的真值表如表4-2。 4.5.2 集成译码器 译码是编码的相反过程，译码器是将输入的二进制代码翻译成相应的输出信号以表示编码时所赋予原意的电路。常用的集成译码器有二进制译码器、二十进制译码器和BCD7段译码器。 74LS138是一种常用的二进制译码器。有3个输入端A、B、C接受二进制编码，输出端Y0Y7共8条译码输出线。74LS138的管脚排列图如图4.5.2(a)所示。其真值表见表4-3所示。另外74LS137是具有地址锁存功能的3/8译码器，与74LS138相比，仅4号管脚不同，在74LS137中，该脚为锁存控制 74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需外接限流电阻。 74LS46/47的管脚排列与74LS48完全相同，所不同的是输出ag为反码输出，且输出端为集电极开路形式，可用于驱动共阳极7段LED数码管。 CD4511也是一种BCD-7段显示译码器，它属于CMOS器件，高电平输出电流可达25mA。其管脚排列见图.5.2(d)所示。真值表如表-6所示。该器件用于驱动共阴极7段LED数码管。 集成数据选择器 数据选择器是一种能从多路平行输入数据中，任选一路作为输出信号的电路。但只能传送数字信号，不能传送模拟信号。这种器件在微机系统、数字通讯设备使用较多。 集成数字运算电路 数字运算电路包括数字比较器、半加器、全加器、奇偶检测器等逻辑单元电路。下面简单介绍几种常用的数字运算 路。 74LS85和CD4585B是其功能相似的4位二进制码比较器。 常用的全加器集成电路是74LS183，它是包含两个完全独立的全加器。可实现2位二进制数加法运算。管脚排列如图4.5.5(a)所示。74LS283则是一个四位二进制加法器，可实现4位二进制数的加法运算。 中规模时序逻辑集成电路 常用负边沿集成J-K触发器有74LS76、74LS112、74LS114等，常用的集成正边沿J-K触发器有74LS109、CD4027等。它们都是在一片芯片内包含了两个相同且独立的J-K触发器。它们不仅包含CP、J、K信号输入端，而且还具有复位、置位功能。他们的管脚排列和功能表，不作详细讨论。D触发器也是一种常用的双稳态电路，常用的集成D触发器有74LS74、CD4013等。74LS74和CD4013的不同是“复位”和“置数”所要求的信号电平高低不同，它们每片都包含两个独立的D触发器。管脚排列见图4.6.1(a)和4.6.1(b)所示。 锁存器有无输出控制信号和带输出控制信号两种类型。无输出控制信号的D锁存器有74LS77、74LS75、74LS375等，它们的功能是当输入控制端G为高电平时，D锁存器中的门是打开的，输入数据D通过门传输到输出Q端；当G为低电平时，门是关闭的，输出数据Q保持上次输入的数据，即为锁存状态。象这类锁存器又称“透明锁存器”。 带输出控制信号的锁存器常用的有74LS373、74HC573、74HC563等。它们的数据输出端是三态输出。 集成移位寄存器 移位寄存器是暂时记忆数据的“寄存器”，其特征是具有将数据向左或向右移动的功能。移位寄存器有各种形式。按存数据的位数有4位、8位等，按“输入/输出数据”形式有“串入/串出”、“串入/并出”、“并入/串出”、“并入/并入”等。 集成计数器 计数器具有累积计数脉冲的功能。它是数字电路系统中一个十分重要的逻辑部件，目前生产厂家已制造出了具有不同功能的集成计数芯片，各种计数器的不同点主要表现在计数方式（同步计数或异步计数）、输出编码形式（自然二进制码、BCD编码、时序分配输出）、计数规律（加法计数或可逆计数）、预置方式（同步预置或异步预置）以及复位方式（同步复位或异步复位）等六个方面。下面将简单介绍几种常用的集成计数器。 二进制计数器。常用多级异步二进制计数器有CD4020、CD4024、CD4040及CD4060。其中CD4024是7级串行二进制计数器，CD4040是12级计数器，CD4020及CD4060是14级串行二进制计数器 十进制计数器的编码一般都是BCD码，常见的十进制加法计数器有74LS160、74LS162及CD4518等。74LS160和74LS162管脚排列和逻辑功能完全相同（与74LS161、74LS163管脚相同，但74LS161、74LS163是4位二进制计数器），所不同的是74LS160是异步清零，而74LS162是同步清零 可逆计数器。所谓“可逆计数器”是指该器件不仅能完成加法计数，而且也能实现减法计数。常见的可逆计数器有74LS190/74LS191和74LS192/74LS193等。其中74LS190/74LS191是单时钟同步加/减计数器，管脚排列完全相同，如图4.6.4(d)所示。所不同的是74LS190是十进制计数器，而74LS191是二进制计数器。 时序脉冲分配器。它的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序脉冲产生功能，整个输出时序是Q0Q1Q2Q7依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。这也属于计数器。常见的时序脉冲发生器有CD4017和CD4022两种，CD4017是十进制脉冲分配器，有Q0Q9十个输出端；CD4022是八进制脉冲分配器，有Q0Q7八个输出端。 常用集成模拟开关 模拟开关是用于接通和断开模拟信号（也包括数字信号）的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点。故在电子电路中获得广泛应用 单刀单掷型集成模拟开关 常用的集成器件是CD4066，该器件为通用4开关，内部包含4只独立的可控CMOS开关，其管脚排列如图4.7.1(a)所示。四只开关各有控制端C端和两个可互换的输入/输出端(I/O)，当C=1（VCC）时，模拟开关导通；反之，模拟开关断开。 单刀双掷型集成模拟开关 CD4053是三组二选一双向模拟开关，其管脚排列图见图4.7.1(b)。图中X、Y、Z表示三个通道， A0、A1、A2分别是X、Y、Z通道的三个控制信号。例如，当A0=0时，K1开关与0X信号接通；当A0=1时，K1开关与1X信号接通。同理，A1、A2对K2、K3的控制作用也是一样。INH是禁止端，当INH=1时，三组模拟开关全部断开。 另外，该器件有三个电源端子，其中VCC是正电源端，VEE是模拟地，VSS是数字地。例如当VCC=5V，VSS=0V，VEE= -5V时，可用05V的数字信号控制幅值为5V的模拟信号的传输。 单刀多掷型集成模拟开关 此类器件常用的有CD4052、CD4051、CD4067等。CD4052是双四选一模拟开关；CD4051是八选一模拟开关；CD4067是十六选一模拟开关。它们的基本功能是一样的，均包含有地址输入端、禁止端、多路信号输入端、公共通道信号输出端等。它们均是双向开关。 集成单稳态触发器 在数字电路控制系统中，有时需要定时、延时、脉冲展宽等操作，专用于完成这种功能的集成电路，就是“集成单稳态触发器”。目前常用的集成器件有74LS121、74LS122、74LS123、CD4538及CD4098等，它们使用非常方便简单，只需外接一只电容和电阻即可得到输出所需宽度的脉冲。 集成可重复触发单稳态触发器 常用的集成器件有CD4538和74LS123，它们都是双单稳态触发器。 CD4538是精密型单稳态触发器，在整个允许工作的温度范围内，相对脉冲输出宽度的误差仅在0.5%以内。输出脉宽计算公式为： 可用于10ms数秒以上的定时。外接定时元件参数范围是：CX0（无明确上限值）一般上限实用范围可达数十mF；RX5k。电路定时元件RX、CX的接法如图4.8.3 集成D/A和A/D转换器 10位 AD7520 D/A转换器内部不带输入锁存器，无参考电压及电压输出电路。这种芯片在应用时，不能直接和微处理器的数据总线相连，必须通过具有输出锁存功能的I/O口和锁存器相连。 AD7520是一种廉价的D/A转换芯片，内部由CMOS电流开关和T形电阻网络构成，其电路结构如图4.9.1(a)所示，该芯片的管脚排列如图4.9.1(b)所示。图中D9D0为数据输入端；VCC为主电源输入端（515V）；VREF为参考电压输入端（-10V+10V）；RF为反馈输入端；GND为数字地；Iout1、Iout2为电流输出端。由于AD7520本身带负载能力弱，因此其输出必须通过运算放大器将Iout1和Iout2转换成相应的电压输出，单极工作方式基本连接见图4.9.2。输出电压为： 集成A/D转换器 A/D转换器的功能是把输入模拟电压或电流转换成与它成正比的数字量。A/D转换器种类很多，但从原理上通常可分为以下四种：计数器式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器，并行A/D转换器、双积分式A/D转换器。 8位集成逐次逼近式A/D转换器ADC0809 ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成，内部结构如图4.9.5(a)所示。管脚排列图见图4.9.5(b)。该器件采用DIP封装，共28条引脚，现分四组简述如下： 1）IN0IN7。IN0IN7为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。 （2）地址输入线和控制线（4条）。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，A2、A1、A0三条地址线上地址信号得以锁存，经译码后控制八路模拟开关工作。当A2A1A0=000时，选中IN0输入端上的模拟电压进行A/D转换；同理，当A2A1A0=001时，选中IN1输入端上的电压进行转换；依次类推，当A2A1A0=111时，选中IN7输入端上的电压进行转换。 （3）数字量输出端及控制线（共11条）。START为“启动脉冲”输入线，该脉冲由数字控制系统提供，宽度要大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线输出高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。D7D0为数字量输出线，D7为最高位，D0为最低位。OE为“输出允许”线，当OE为高电平时，可使D7D0引脚上输出转换后的数字量。 （4）电源线及时钟（5条）。CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需时钟脉冲序列，最高频率650kHz。VCC为电源输入线，范围515V；GND为地线；VREF(+)和VREF(-)为参考电压输入线，通常VREF(+)和VCC相连，VREF(-)和GND相连。 位双积分式A/D转换器ICL7106 ICL7106是目前广泛应用的一种 35位A/D转换器，特点 （1）采用715V单电源供电，可选用9V叠层电池。低功耗（约16mW）。 （2）输入阻抗高（1010）。内设时钟电路、+2.8V基准电源、异或门输出电路，能直接驱动 （3）A/D转换精度高达0.05%，。且具有自动调零、自动判定极性等功能。 （4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM（直流电压表）表头。其抗干扰能力强，可靠性高。 集成V/F、F/V变换器 V/F变换即电压到频率的变换，表示输出信号频率f0与输入电压VI成正比。F/V变换即频率到电压的变换，表示输出电压V0与输入频率fI成正比。目前实现V/F变换和F/V的变换方法很多，有由分离元件组成的变换电路，也有各种集成电路，这类集成电路使用简单，调试方便，转换精度也比较高，是目前首选器件。下面将重点介绍LMx31系列V/F、F/V变换器。 LMx31系列V/F、F/V变换器介绍 LMx31系列包括LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331，该系列的器件是一种性能价格比较高的集成电路，很适合用作精密频率电压转换器、长时间积分器、线性频率调制或解调等功能电路。 其主要特点有： 双电源或单电源供电（单电源在440V范围内均能工作）。 高的线性度（0.01%）。 脉冲输出与所有逻辑形式兼容。 稳定性好，温度系数5010-6/。 功耗低，当电源为5V时，功耗为15mW。 动态范围宽