数字集成电路的分类.doc

1、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 Logi

2、c)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

3、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 T

4、TL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

5、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（

6、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 F

7、AST 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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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 LSTTL ECL PMOS NMOS CMOS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 V 5 5.2 +20 12.5 38单门平均延迟时间 ns 9.5 2 1000 100 50单门静态功耗 mW

13、2 25 5 0.5 0.01速度功耗积（SP）PJ 19 50 100 10 0.5直流噪声容限 V 0.4 0.145 2 1 电源的 40扇出能力 1020 100 20 10 1000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

14、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

15、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：t pd=(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，t pd6ns 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 CMO

16、S 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） ，t pd 的单位为ns，P d 的单位为 mw。通常，SP 越小，电

17、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=0.8

18、V0.4V=0.4V。对 ECL 类来说，电源多用5.2V， VNH1(1.1)=0.1V，V NL1.5(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 45V CC，也就是 VNM45V CC，最低限度可以达到VNL 19V CC，V NH29V CC。V CC 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

19、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

20、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-TTL S-TTL4000B 系列4011B4049UB1801TC40H 系列CC40H 系列TC40H000TC50H000250174HC 系列 74HC00 10 2LS-TTL 系列 74LS00 20 4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

21、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）

22、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

23、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

24、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 符号意义符号意义标准电路W 陶瓷扁平前缀H 高速电路B 塑封扁平54

25、 军用电路-55 +125oCS 肖特基电路F 全密封扁平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 塑封双列直插代表制造厂商74 民用通用电路AS 先进肖特基电路阿拉伯数字器件功能（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 40 产 阿 器 C 0

26、070线电公司产品CC 中国制造 E -40 85TC 日本东芝公司产品 R -55 85MC1 摩托罗拉公司产品45品系列号拉伯数字件功能M -55 125举例说明如下：CT 74 LS 00 P（1） (2) (3) (4) (5)封装形式 P：塑料双列直插封装器件种类：四 2 输入与非门器件系列：低功耗肖特基 74TTL 电路系列产品系列 74 系列制造厂商 CT：国产 TTL 电路CT74LS00P 为国产的（采用塑料双列直插封装）TTL 四 2 输入与非门。SN 74 S 195 J（1） (2) (3) (4) (5)封装形式 J：陶瓷双列直插封装器件种类：4 位并行移位寄存器器件

27、系列：肖特基 74TTL 电路系列产品系列 74 系列制造厂商 SN：美国 TEXAS 公司制造SN74S195J 为美国 TEXAS 公司制造的采用陶瓷双列直插封装的 4 位并行移位寄存器。同一型号的集成电路原理相同，通常又冠以不同的前缀、后缀，前缀代表制造商（有部分型号省略了前缀），后缀代表器件工作温度范围或封装形式，由于制造厂商繁多，加之同一型号又分为不同的等级，因此，同一功能、型号的 IC 其名称的书写形式多样，如CMOS 双 D 触发器 4013 有以下型号：CD4013AD CD4013AE CD4013CJ CD4013CN CD4013BD CD4013BE CD4013BF CD4013UBD CD4013UBE CD4013BCJ CD4013BCN；HFC4013 HFC4013BE HCF4013BF HCC4013BD/BF/BK HEF4013BD/BP HBC4013AD/AE/AK/AF SCL4013AD/AE/AC/AF MB84013/M MC14013CP/BCP TC4013BP.一般情况下，这些型号之间可以彼此互换使用。