1.3 数字集成电路

1.3.1 数字电路元器件

数字电路是处理、存储数字信号的电子线路，用电平的高低、电路的通断来表示二进制数据，用脉冲的编码表示数字信号，根据二进制编码进行运算处理。

数字电路由晶体二极管、晶体三极管、电阻、电容等元器件组成基本的门单元，在此基础上，产生各种规模的数字集成电路。首先来认识一些基本的元器件。

1. 开关二极管

二极管是由半导体材料制成的，它有两个极：正极和负极。二极管的特点是单向导电。实际应用中有开关二极管、整流二极管、稳压二极管、发光二极管等多种。在数字电路中，利用它的单向导电的特性，起到开关作用，分别用导通和截止两种状态代表“1”和“0”。开关二极管如图1-22所示。

当二极管VD两端的正向电压Vd＜0.5V时，二极管处于断开状态。

当二极管VD两端的正向电压Vd ＞0.7V时，二极管处于导通状态。当处于导通状态时，二极管本身有一定的电压降，硅管为0.7V。

2. 开关三极管

三极管也是由半导体材料制成的，它有三个极。根据应用的具体情况，利用三极管的特性，可以用做放大器，也可以用于开关电路。在数字电路中，利用它的开关特性，导通和截止两种状态分别表示二进制数的“0”和“1”两种状态。

根据半导体材料和工艺的不同，三极管分为双极型和MOS型两种。

三极管由半导体材料制成，在半导体材料中根据掺杂的杂质不同，形成了P型和N型两种材料。双极型半导体就是由P型和N型材料烧结而成的。由于这类器件内部存在两种不同的电流载体，即空穴和电子，因此称为双极型器件，它属于电流控制的有源元件。双极型三极管（见图1-23）的三个极分别称为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）。双极型三极管中，根据发射区、基区和集电区使用材料的不同，又有NPN型和PNP型两种，它们的应用和特性都不同。

如图1-24所示，当输入电压ui 为高电平（“1”）时，使得三极管的ube =0.7V，be结导通，根据三极管特性曲线，此时ce结 uce =0.3V，相当于短路。输出 uo =0.3V，即输出为“0”。当输入电压ui 为低电平（“0”）时，使得三极管的ube =0，be结截止，ib =0，根据三极管特性曲线，此时ce结截止，相当于开路，ic 接近为0，输出uo 为高电平，即输出为“1”。在三极管工作于开关状态时，相当于一个反相器。

MOS型三极管即金属氧化物半导体，又称绝缘栅场效应管。根据工艺的不同，MOS型器件又分为PMOS、NMOS、CMOS、CHMOS等，它是电压控制的元件。以NMOS为例，它是一个N沟道增强型绝缘场效应管，在P型半导体衬底上制作了两个N型区（称为源极区和漏极区），在源极和漏极之间的氧化层上制作了一个金属电极——栅极。CMOS半导体实际上是用NMOS管和PMOS管组合而成的对称互补的复合场效应管。MOS场效应管的三个极分别是：源极（S）、漏极（D）和栅极（G），如图1-25所示。

如图1-26所示，根据MOS管的特性，当输入电压为低电平，如Ui =0时，栅极电压大于MOS场效应管的开启电压VT，MOS管截止，Uo=Uoh=10V，输出为“1”。当输入电压为高电平，如Ui =10V时，栅极电压大于开启电压VT，该管导通，输出Uo =Uol =Rds（E/Rd +Rds），其中Rds为漏极D与源极S间的内阻，Rd为负载电阻。输出为低电平“0”。此电路也具有反相功能（反相器）。

MOS场效应管的漏极D和源极S之间可以等效看成一个受栅极控制的无触点的开关。当栅极G和源极S之间电压VGS大于MOS场效应管开启电压VT时，漏极D和源极S之间没有电流，相当于开关断开。当VGS小于VT时，漏极D和源极S之间有电流流过，相当于开关解通。

总结双极型晶体管和MOS场效应管的特点如下。

（1）双极型三极管是电流控制元件，而MOS型场效应管是电压控制元件。

（2）双极型三极管在截止时，存在反向集电极电流和反向基极电流，故称为双极型三极管。而MOS场效应管在截止状态时，漏极电流Id=0，所以又称为单极型三极管。

（3）MOS场效应管无论导通或截止，栅极都没有电流流过，所以它的输入阻抗极高，功耗小，特别适用于对功耗要求小的电路中。而双极型三极管由于基极电流存在，故其输入阻抗低，功耗大。

（4）MOS场效应管在使用时，由于源极、漏极的对称特性，可以互换使用；其栅极电压可以为正，也可以为负，而且电压变动的范围较大，因此不易因为过电压而烧坏。使用起来方便、灵活。

（5）MOS场效应管的导通内阻要比双极型三极管大，使用它的工作速度要比双极型三极管要慢。场效应管容易受静电感应而产生击穿，在使用中要注意静电屏蔽。

1.3.2 TTL数字集成电路

集成电路是在一块半导体芯片上集成了若干个元器件，以实现某种功能。随着微电子技术的发展，集成电路的集成度越来越高，功能越来越强。在数字系统中，根据集成度的区别，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）。小规模集成电路中包括简单、通用的数字逻辑单元，如门电路、触发器、缓冲器、驱动器等电路。中大规模集成电路多是一些具有特定逻辑功能的数字逻辑电路，如加法器、算术逻辑运算单元、乘法器、锁存器、A/D转换器、D/A转换器及一些存储器ROM、RAM芯片等。微处理器CPU、数字信号处理器DSP、大容量的存储器及FPGA等都属于超大规模集成电路。

这里介绍一些常用的中、小规模集成电路。

TTL集成电路是晶体管-晶体管逻辑电路的简称，它主要由双极型三极管组成。它是把晶体管和其他元件连线制作在一块半导体基片上形成的集成电路。由于TTL集成电路的生产工艺成熟，产品参数稳定、工作可靠、开关速度快，因此获得了广泛的应用。

常用的TTL数字集成电路为SN74/54系列。其中，54系列为军用产品级别，74系列为工业产品和民用产品级别，主要区别是应用环境不同，如表1-13所示。

TTL系列数字集成电路包括以下几个品种：

（1）74/54系列为普通标准系列；

（2）74F/54F系列为高速系列；

（3）74S/54S系列为肖特基系列；

（4）74LS/54LS系列为低功耗肖特基系列；

（5）74ALS/54ALS为高性能型系列；

（6）74HC/54HC为高速通用型系列等。

TTL集成电路74系列的主要技术指标如下所述。

（1）电源电压：4.75～5.25V（5V ± 5%）。

（2）电源电流：随型号不同而不同，据此可以确定供电电源功率。

（3）输入参数：输入低电平电压VIL≤0.8V；

输入低电平电流IIL = -1.6mA（74系列），IIL = -0.4mA（74LS系列）；

输入高电平电压VIH≥2V；

输入高电平电流IIH = 40μA（74系列），IIH =20μA（74LS系列）。

说明：输入参数反映了对前级IC芯片的负载影响。如果使用中发现对前级负载影响较大，则需要增加驱动器进行连接。

（4）输出参数：输出高电平电压VOH≥2.4V；

输出高电平电流IOH =0.4mA；

输出低电平电压VOL≤0.4V；

输出低电平电流IOL= -16mA（74系列），IOL= -8mA（74LS系列）。

说明：输出高电平电流IOH为提供给外接负载高电平输出时的最大输出电流，它随型号不同而不同。该参数影响负载能力（即扇出数），超过该电流值，会使输出高电平电压下降。

输出低电平电流IOL为提供给外接负载低电平输出时的最大输出电流，它随型号不同而不同。该参数表示电路的灌电流的负载能力（扇出数），超过该电流值，会使输出低电平上升。

（5）工作速度。最高工作频率fmax，即最高时钟脉冲频率，超过该值则不能正常工作。

74系列：35MHz；74LS系列：45MHz；74S系列：125MHz。

平均传输延迟时间：74系列为10ns；74LS系列为9.5ns；74S系列为3ns。

（6）温度参数。

工作温度：Ⅰ类（军品）为-55℃～ +125℃（54系列）；

Ⅱ类（工业）为-40℃～ +85℃（74系列）；

Ⅲ类（民品）为0℃～ +70℃（74系列）。

存储温度：-65℃～ +150℃。

在有关TTL集成电路的资料手册中，可以查到有关器件的参数指标、真值表（功能表）、波形图（时序图）、封装形式和引脚说明等。

1.3.3 CMOS数字集成电路

1. MOS型场效应管

MOS型数字电路也是计算机系统中经常使用的半导体器件。MOS指的是金属氧化物半导体，又称绝缘场效应管，是一种单极性三极管，它又分为NMOS、PMOS、CMOS、HCMOS等几种。

NMOS为N沟道增强型绝缘场效应管。它是在P型半导体材料的衬底上，制作出两个N型区，分别称为源极S和漏极D。在源极和漏极之间的氧化层上制作一个金属电极，称为栅极G。

PMOS型场效应管是在N型半导体材料的衬底上，制作出两个P型区，分别称为源极S和漏极D。在源极和漏极之间的氧化层上制作一个金属电极，称为栅极G。

CMOS场效应管是用PMOS和NMOS管组合而成的对称互补复合场效应管。

如图1-27所示，TN为一个N型场效应管，TP为一个P型场效应管，它们组合而成一个CMOS场效应管。当输入电压Ui =10V（高电平）时，TN管导通、TP管截止，输出电压Uo =0V（低电平）。反之，当输入电压Ui =0V（低电平）时，TN管截止、TP管导通，输出电压Uo =10V（高电平）。它相当于反相器。

2. CMOS数字电路

CMOS数字电路是由CMOS场效应管和电阻、电容等元器件集成的数字电路。按集成度来分，也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）及超大规模集成电路。作为数字电路器件，它也包括常用的门电

路、译码器、触发器、寄存器、运算器及模数转换控制器（ADC）及数模转换器（DAC）等类型的器件。它们的逻辑图、逻辑符号、逻辑表达式及真值表等都和前文介绍的一样。

目前常用的CMOS数字电路的型号有以下几种。

国产型号：CC4000系列，工作电压范围为3～18V；

C000系列，工作电压范围为7～15V。

通用型号：4000 系列，工作电压范围为3～18V。

高速型号：74HC系列，工作电压范围为2～6V；

74HCU系列，工作电压范围为4.5～5.5V；

74HCT系列，工作电压范围为2～6V。

CMOS数字电路的主要技术参数如下所述。

（1）电源电压：4000系列芯片的工作电压范围为3～18V；

国产C000系列芯片的工作电压范围为2～6V；

高速74HC系列芯片的工作电压范围为2～6V。

（2）输入参数。

输入高电平的最小电压VIH为70%电源电压，如74HC系列：VIH≥3.5V（5V电源）。

输入低电平的最大电压VIL为30%电源电压，如74HC系列：VIL≤1V（5V电源）。

（3）输出参数。

输出高电平电压VOH：4000系列的VOH =4 .95V（5V电源），VOH =14 .95V（15V电源）；

74HC系列的VOH =（VCC -0.1）V（电源电压VCC）。

输出低电平电压VOL：4000系列的VOL =0.05V；

74HC系列的VOL =0.1V（5V电源）。

输出电流IOH、IOL随型号不同而不同。

（4）工作速度。

典型CMOS门电路传输延迟时间分别小于300ns（5V电源）、150ns（10V电源）、110ns（15V电源）。

输出状态转换时间分别小于100ns（5V电源）、70ns（10V电源）、50ns（15V电源）。

总的来说，CMOS数字电路的工作速度要比TTL数字电路的慢。而目前高速的74HC系列芯片与TTL电路中的74LS系列芯片工作速度相同，约是4000系列芯片的10倍。

（5）静态电流。

CMOS数字电路的电源静态电流比TTL电路小，随型号、封装和电源的不同而不同。

表1-14所示为CMOS数字电路在不同环境温度下的静态电流。

（6）温度参数。

工作温度：陶瓷扁平封装芯片——-55℃～ +100℃；

陶瓷双列直插封装芯片——-55℃～ +125℃；

塑料双列直插封装芯片——-40℃～ +85℃。

储存温度：-65℃～ +150℃。

有关CMOS数字集成电路的技术特性和参数指标请参考有关技术手册。

CMOS数字电路的特点如下所述。

（1）由于CMOS晶体管的导通内阻要比双极型晶体管大，所以CMOS数字电路的工作速度要比TTL数字电路的工作速度慢。

（2）CMOS电路的输入阻抗很高，可达108Ω 以上，而且在工作频率不高时，电路的输出能力较强，也就是说CMOS电路的带负载能力要比TTL电路强。

（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，在5～15V，这样它的输出电平高，因此它的抗干扰能力比TTL电路强。它的噪声容限可达30% VDD（电源电压）。

（4）由于CMOS电路在工作时总是一个管导通、另一个管截止，所以它几乎不从电源吸取电流，因此CMOS电流的功耗要比TTL电路小。

（5）鉴于CMOS电路的功耗小，使得电路内部发出热量少，所以CMOS电路的集成度一般要比TTL电路的高。

（6）CMOS集成电路的温度稳定性好，抗辐射能力强，所以适合在特殊环境下工作。

（7）CMOS电路由于输入阻抗高，使得它容易受静电感应造成击穿。虽然在其内部已经设置了保护电路，但在使用和存放时应该注意静电屏蔽。在焊接时电烙铁应接地良好，尤其是芯片上多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接电源。

使用CMOS电路要注意以下事项。

（1）使用CMOS电路时，一定要在推荐的工作条件范围之内。

（2）多余的输入端的处理。对于TTL电路，可以将多余的输入端悬空，此时表示该输入端为高电平。对于CMOS电路，如前所述，CMOS电路要注意静电屏蔽，所以它的多余输入端不允许悬空。CMOS的门电路可以把不用的输入端和全体输入端并联使用，也可以根据逻辑关系的要求，将它们直接接地或通过电阻接到电源上。

（3）不同类型的集成电路的高、低电平是不同的，因此将不同类型的集成电路在同一系统中使用时，必须进行信号的电平转换，配置相应的电平转换电路。

1.3.4 数字集成电路举例

以下列出一些常用的数字集成电路，如表1-15所示。

数字集成电路的详细资料请查阅有关手册和文献。