數字集成電路的組成、類別、特性及注意事項

  數字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。根據數字集成電路中包含的門電路或元、器件數量,可將數字集成電路分為小規模集成(SSI)電路、中規模集成MSI電路、大規模集成(LSI)電路、超大規模集成VLSI電路和特大規模集成(ULSI)電路。小規模集成電路包含的門電路在10個以內,或元器件數不超過10個;中規模集成電路包含的門電路在10~100個之間,或元器件數在100~1000個之間;大規模集成電路包含的門電路在100個以上,或元器件數在1,000~10, 000個之間;超大規模集成電路包含的門電路在1萬個以上,或元器件數在100,000~1,000,000之間;特大規模集成電路的門電路在10萬個以上,或元器件數在1,000,000~10,000,000之間。

  組成

  數字集成電路的型號組成一般由前綴、編號、后綴三大部分組成,前綴代表制造廠商,編號包括產品系列號、器件系列號,后綴一般表示溫度等級、封裝形式等。如表0—1所示為TTL 74系列數字集成電路型號的組成及符號的意義。

  類別

  數字集成電路產品的種類很多,若按電路結構來分,可分成TTL和MOS 兩大系列。

  TTL 數字集成電路是利用電子和空穴兩種載流子導電的,所以又叫做雙極性電路。MOS 數字集成電路是只用一種載流子導電的電路,其中用電子導電的稱為NMOS 電路;用空穴導電的稱為PMOS 電路:如果是用NMOS 及PMOS 復合起來組成的電路,則稱為CMOS 電路。

  CMOS 數字集成電路與TTL 數字集成電路相比,有許多優點,如工作電源電壓范圍寬,靜態功耗低,抗干擾能力強,輸入阻抗高,成本低,等等。因而, CMOS 數字集成電路得到了廣泛的應用。

  數字集成電路品種繁多,包括各種門電路、觸發器、計數器、編譯碼器、存儲器等數百種器件。數字集成電路產品的系列見下表 。

  國家標準型號的規定,是完全參照世界上通行的型號制定的。國家標準型號中的第一個字母"C" 代表中國;第二個字母"T" 代表TTL , "C" 代表CMOS。CT 就是中國的TTL數字集成電路, CC 就是中國的CMOS 數字集成電路。其后的部分與國際通用型號完全一致。[1]

  一般特性

  (1)電源電壓范圍

  TTL電路的工作電源電壓范圍很窄。S,LS,F系列為5V±5%;AS,ALS系列為5Y±10%。

  (2)頻率特性

  TTL電路的工作頻率比4000系列的高。標準TTL電路的工作頻率小于35MHz;LS系列TTL電路的工作頻率小 于40MHz;ALS系列電路的工作頻率小于70MHz;S系列電路的工作頻率小于125MHz;AS系列電路的工作頻率 小于200MHz.

  (3)TTL電路的電壓輸出特性

  當工作電壓為十5V時,輸出高電平大于2.4V,輸人高電平大于2.0V;輸出低電平小于0.4V,輸人低電平 小于0.8V。

  (4)最小輸出驅動電流

  標準TTL電路為16mA;LS-TTL電路為8mA;S-TTL電路為20mA;ALS-TfL 電路為8mA;AS-TTL電路為⒛ mA。大電流輸出的TTL電路:標準TTL電路為48mA;LS-TTL電路為24mA;S-TTL電路為64mA;ALS-TTL電 路為24/48mA;AS-TTL電路為48/64mA。

  (5)扇出能力(以帶動LS-TTL負載的個數為例)

  標準TTL電路為40;IS-TTL電路為20;S-TTL電路為50;ALS-TTL電路為 20;AS-TTL電路為50。大電流 輸出的TTL電路:標準TTL電路為120;LS-TTL電路為60;S-TTL電路為160;ALS-TTL電路為60/120;AS -TTL電路為120/160。

  對于同一功能編號的各系列TTL集成電路,它們的引腳排列與邏輯功能完全相同。比如,7404,74LS04, 74A504,74F04,74ALS04等各集成電路的引腳圖與邏輯功能完全一致,但它們在電路的速度和功耗方面存 在著明顯的差別。

  2.CM0S系列集成電路的一般特性

  (1)電源電壓范圍

  集成電路的工作電源電壓范圍為3~18V,74HC系列為2~6V。

  (2)功耗

  當電源電壓VDD=5V時,CM0S電路的靜態功耗分別是:門電路類為2.5~5μW;緩沖器和觸發器類為5~20μW;中規模集成電路類為25~100μW,

  (3)輸人阻抗

  CM05電路的輸入阻抗只取決于輸人端保護二極管的漏電流,因此輸人阻抗極高,可達108~1011Ω以上。所以,CM0S電路幾乎不消耗驅動電路的功率。

  (4)抗干擾能力

  因為它們的電源電壓允許范圍大,因此它們輸出高低電平擺幅也大,抗干擾能力就強,其噪聲容限最大值為45%VDD保證值可達30%VDD,電源電壓越高,噪聲容限值越大。

  (5)邏輯擺幅

  CM0S電路輸出的邏輯高電平“1”非常接近電源電壓VDD邏輯低電平“0”接近電源Vss,空載時,輸出高電平VOH=VCC-0.05V,輸出低電平VOL=0.05V。因此,CM0S電路電源利用系數最高。

  (6)扇出能力

  在低頻工作時,一個輸出端可驅動50個以上CM0S器件。

  (7)抗輻射能力

  CMOS管是多數載流子受控導電器件,射線輻射對多數載流子濃度影響不大。因此,CM0S電路特別適用于航天、衛星和核試驗條件下工作的裝置。

  CM0S集成電路功耗低,內部發熱量小,集成度可大大提高。又因為電路本身的互補對稱結構,當環境溫度變化時,其參數有互相補償作用,因而其溫度穩定性好。

  (8)CM0S集成電路的制造工藝

  CM0S集成電路的制造工藝比TTL集成電路的制造工藝簡單,而且占用硅片面積也小,特別適合于制造大規模和超大規模集成電路。

  注意事項

 ?、俨辉试S在超過極限參數的條件下工作。電路在超過極限參數的條件下工 作,就可能工作不正常,且容 易引起損壞。TTL集成電路的電源電壓允許變化范圍比較窄,一般在4.5~5.5V之間,因此必須使用+5V穩 壓電源;CM0S集成電路的工作電源電壓范圍比較寬,有較大的選擇余地。選擇電源電壓時,除首先考慮到 要避免超過極限電源電壓外,還要注意到,電源電壓的高低會影響電路的工作頻率等性能。電源電壓低, 電路工作頻率會下降或增加傳輸延遲時間。例如CM0S觸發器,當電源電壓由+15V下降到十3V時,其最高 工作頻率將從10MHz下降到幾十千赫。

 ?、陔娫措妷旱臉O性千萬不能接反,電源正負極顛倒、接錯,會因為過大電流而造成器件損壞。

 ?、跜M0S電路要求輸人信號的幅度不能超過VDD~VSS,即滿足VSS=V1=VDD。當 CM0S電路輸入端施加的電 壓過高(大于電源電壓)或過低(小于0V),或者電源電壓突然變化時,電路電流可能會迅速增大,燒壞器件,這種現象稱為可控硅效應。預防可控硅效應的措施 主要有:

  ·輸入端信號幅度不能大于VDD和小于0V;

  ·消除電源上的干擾;

  ·在條件允許的情況下,盡可能降低電源電壓,如果電路工作頻率比較低,用+5V電源供電最好;

  ·對使用的電源加限流措施,使電源電流被限制在30mA以內。

 ?、軐Χ嘤噍斎硕说奶幚?。對于CM0S電路,多余的輸人端不能懸空,否則,靜電感應產生的高壓容易引起 器件損壞,這些多余的輸人端應該接yDD或yss,或與其他正使用的輸人端并聯。這3種處置方法,應根據 實際情況而定。

  對于TTL電路,對多余的輸人端允許懸空,懸空時,該端的邏輯輸入狀態一般都作為“1”對待,雖然 懸 空相當于高電平,并不影響與門、與非門的邏輯關系,但懸空容易受干擾,有時會造成電路誤動作。因此 ,多余輸人端要根據實際需要做適當處理。例如,與門、與非門的多余輸人端可直接接到電源上;也可將 不同的輸人端公用一個電阻連接到電源上;或將多余的輸人端并聯使用。對于或門、或非門的多余輸人端 應直接接地。

 ?、荻嘤嗟妮敵龆藨搼铱仗幚?,決不允許直接接到VDD或VSS,否則會產生過大的短路電流而使器件 損壞 。不同邏輯功能的CM0S電路的輸出端也不能直接連到一起,否則導通的P溝道MOS場效應管和導通的N溝道 MOS場效應管形成低阻通路,造成電源短路而引起器件損壞。除三態門、集電極開路門外,TTL集成電路的 輸出端不允許并聯使用。如果將幾個集電極開路門電路的輸出端并聯,實現“線與”功能時,應在輸出端 與電源之間接人上拉電阻。

 ?、抻捎贑M0S電路輸人阻抗高,容易受靜電感應發生擊穿,除電路內部設置保護電路外,在使用和存放時 應注意靜電屏蔽;焊接CM0S電路時,焊接工具應良好接地,焊接時間不宜過長,焊接溫度不要太高。更不 能在通電的情況下,拆卸,拔、插集成電路。

 ?、叨嘈吞柕臄底蛛娐分畣柨梢灾苯踊Q使用,如國產的CC4000系列可與CD4000系列、MC14000系列直接互 換使用。但有些引腳功能、封裝形式相同的IC,電參數有一定差別,互換時應注意。

 ?、嘧⒁庠O計工藝,增強抗干擾措施。在設計印制線路板時,應避免引線過長,以防止信號之間的竄擾和 對信號傳輸的延遲。此外要把電源線設計得寬一些,地線要進行大面積接地,這樣可減少接地噪聲干擾。 在CM0S邏輯系統設計中,應盡量減少電容負載。電容負載會降低CM0S集成電路的工作速度和增加功耗。

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