1.9 集成电路
为了方便起见，我们将集成电路大致分为数字逻辑芯片、处理器芯片、模数转换和数模转换芯片、光电耦合器、存储器、运算放大器、稳压电源芯片、厚膜电路等几个部分加以介绍。
（1）数字逻辑芯片
数字逻辑芯片是个大家族。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。按制成工艺及材料又可以分为TTL数字逻辑电路和CMOS逻辑电路。
TTL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。
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。
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。
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（3～18V）、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、引脚排列完全兼容，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。
维修经验
数字逻辑芯片的自然损坏是极少见的，其损坏大多是高电压冲击引起或者输出端口短路引起。
绝大多数双列封装的数字逻辑芯片的电源引脚安排都有一个规律，即第一排引脚的最后一脚是GND，第二排引脚的最后一脚是VCC，因此在检修测试的时候可以根据这个规律来入手。
数字逻辑芯片的代换：从电压范围、芯片速度和驱动能力三个方面来考虑，代换的芯片应与换下来的芯片具有相同或更宽的电压范围，相同或更快的速度，相同或更高的驱动能力。
（2）处理器芯片
工控主板的处理器同通用电脑主板的处理器差别不大，某些环境严酷的场合可能会采用耐高温的工业级处理器。工业上见到最多的是使用各种微处理器即所谓的单片机电路板。但凡使用处理器的场合，一定离不开满足正常工作条件的三个基本要素，即正常的工作电源、正常的时钟/晶振信号、正常的复位过程。检修包含处理器的电路板时可以根据这个规律来入手。
随着技术的发展，微处理器的设计也包含了越来越多的功能，比如有些处理器包含程序存储器，有些包含ADC和DAC，有些包含模拟量增益放大器，有的包含特别的通信处理单元。在检修这些处理器电路板时，需根据数据手册提供的信息来考虑。
工控电路板上CPU是否损坏可以通过更换来判断。
电路板微处理器的损坏极少见，除非受到高电压的冲击。
维修诀窍 检测及维修处理器的方法
检测处理器有没有损坏的办法，直观一点就是排除短路可能性后给故障电路板通电，使程序“跑起来”，但凡系统有指示灯闪烁、有字符显示，有各种各样的报警，说明处理器和系统程序基本正常，“大脑”尚存活力，能让灯闪烁，让字符显示，能报警“说出”哪儿有毛病，碰到这种情况就不要在处理器上或程序上纠结。如果通电后电路板一点反应没有，就可以按照满足处理器正常工作的三个必要条件来查找原因，即查电源、时钟/晶振、复位。
有些板子程序跑起来了，但没有指示灯、显示器及报警信息来显示，这种情况可以使用示波器来测量处理器各个引脚是否有波形，只要测得数个引脚有波形输出，则可以认为程序已经跑起来了。
有些带处理器的板子，它的处理器在系统中并不是独立工作的，程序和电路中设置了“激活”以及“通信”的机制，单独给板子通电也并不能让程序跑起来。这样的情况下，可以采用引脚对地电阻值测试法来测试，只要是某些不接地的引脚对地阻值不是低得离谱，基本认为处理器就是好的。
不包含程序的处理器损坏后换新即可，包含程序的处理器就不能简单地换新，新的处理器没有程序，换新也没法用。可行的办法是：找到一块相同的报废电路板，如果上面有相同程序的处理器，可以将这个处理器拆下更换到处理器损坏的电路板上。如果找不到带相同程序的处理器芯片，则只能放弃维修了。或有人想到复制处理器内的程序，但为保护知识产权，实际上大部分的处理器程序是经过加密处理的，复制的难度是相当高的，国内有所谓的芯片“逆向工程”，“单片机解密服务”，或许可以达到复制的目的，其费用还不菲，但是因维修而复制，是否具有经济性，就具体而论了。
（3）模数转换器和数模转换器
模数转换器（ADC）数字量输出的方式有多种，有并行输出、串行输出及V-F（电压-频率）转换输出的方式，有些还有多个模拟通道。数模转换器（DAC）也有数据并行输入、串行输入及F-V（频率-电压）转换的方式，某些类型也有多个模拟通道。ADC和DAC也都是难得碰到一坏的器件，对其检修时重点关注一下电源及参考电压是否正常即可。
（4）光电耦合器
光电耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
光电耦合器可实现电气隔离情况下的信号传输，在工业电路板上使用甚广，可见用于门极驱动、电流电压检测、数据传输、开关电源等。因为作为隔离器件的光耦通常有一个隔离端与高电压部分电气相连，加之光耦内的LED通电日久也存在老化现象，所以光耦是损坏率比较高的器件，在工控电路板上检修过程中是经常见到的。
工控电路板中比较常见的光耦介绍如下。
①非线性光耦4N25、4N35、4N26、4N36，如图1.44所示。此类光耦只做普通的数字信号隔离传输使用。
图1.44 非线性光耦
②低速线性光耦PC817、PC818、PC810、PC812、PC502、LTV817、TLP521-1、TLP621-1、ON3111、OC617、PS2401-1、GIC5102，如图1.45所示。此类芯片多用于低速（100K bit/s以下）的数字接口电路，如PLC、变频器的输入接口，或者开关电源的反馈电路中。
图1.45 低速线性光耦
③高速光耦。此类光耦多用于通信信号的隔离传输，通常在光耦输出端接有5V电源电压，方便与TTL电路的接口。按照速度划分，比较常见的此类光耦型号有：
100K bit/s：6N138、6N139、PS8703。
1M bit/s：6N135、6N136、CNW135、CNW136、PS8601、PS8602、PS8701、PS9613、PS9713、CNW4502、HCPL-2503、HCPL-4502、HCPL-2530（双路）、HCPL-2531（双路）。
10M bit/s：6N137、PS9614、PS9714、PS9611、PS9715、HCPL-2601、HCPL-2611、HCPL-2630（双路）、HCPL-2631（双路）。例图如图1.46、图1.47所示。
图1.46 6N137 HCPL-2601 HCPL-2611
图1.47 HCPL-2630 HCPL-2631
④功率晶体管驱动光耦。此类光耦用于驱动功率晶体管，用于电动机、UPS、焊机领域的逆变、可控整流等。光耦工作在频繁开关状态，速度要求高，还需要足够的电流驱动能力。通常此类光耦的输出端电源电压在15～20V之间。常见的此类光耦有HCPL0454、HCPL3120、HCPL4503、HCPL4504、PC923、PC929等。
⑤隔离放大光耦。此类光耦可以将mV级的模拟信号隔离放大，可用于检测直流母线电压、电动机输出电流。常见的型号有HCPL7800/A/B、HCPL7820、HCPL7840、HCPL7860（串行数据输出）。
维修诀窍 光电耦合器的检测
①无需外接电源的光耦可以使用两个万用表来检测，可以不从电路板上拆下光耦。在输入端使用指针万用表RX1Ω挡给光耦输入端施加电流，输出端使用数字万用表二极管挡检测导通情况。
②使用外接电源的光耦，可以给电路板正常通电，在光耦的输入端注入信号（要注意屏蔽对前级电路的影响），在光耦的输出端监测输出电平的变化，如果随着输入信号的有无，输出电平出现高低变化，说明光耦有效，没有损坏。如果给电路板加电，使用光耦自身供电不方便，也可以在电源引脚上外接相应大小的电压检测，总之，尽可能不要拆下光耦测试，可省下不少工时，实在不方便在电路板检测的情况下才焊下光耦独立通电测试。
③检测模拟信号隔离放大的光耦，如A7800、A7840、A7841等芯片，也可以给电路板通电，如通电后输入输出端的电压都正常，就可以实测放大后的输出电压大小及输入电压的大小，比较放大系数是否正常。以A7800为例，根据检修经验，当输入电压（2脚对3脚电压）为0mV时，正常的输出电压（7脚对6脚）基本在5mV以下且保持稳定，如果输出电压在-20mV以下（比如-30mV），或者通电时间长了达到-20mV以下（比如-30mV），则视为损坏。最可靠的测试方法是制作一个电路，调节输入电压在规定的范围内变化，同时测输出电压和输入电压的比值是否满足增益情况。如A7800的放大增益为8倍，输出电压和输入电压大小就应该满足8倍的关系。
（5）存储器
存储器总体上分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器断电后内部数据会丢失，非易失性存储器断电后数据也不会丢失。
易失性存储器包括SRAM（静态随机存储器）和DRAM（动态随机存储器）。SRAM在通电状态下数据不会丢失，断电后即丢失；DRAM在通电状态下需要控制电路来周期性刷新才能保持数据。SRAM的数据存储速度非常快，价格比同等存储容量的DRAM高出很多。
非易失性存储器包括带备用电源的NVRAM（非易失性RAM）、掩膜ROM、PROM（可编程ROM）、EPROM（紫外线可擦除可编程ROM）、EEPROM（电可擦可编程ROM）、FLASH MEMORY（闪存）、FRAM（铁电存储器）。
NVRAM内置锂电池，电池和RAM芯片封装为一体，如图1.48所示，NVRAM无外部供电情况下可保留数据10年不丢失。
图1.48 内置备用电源的NVRAM
EPROM如图1.49所示，它有一个明显特征，即陶瓷封装的芯片上有一个玻璃窗口，紫外线可以透过窗口将芯片内部数据擦除，擦除干净后又可以重新写入新的数据。EPROM可以反复擦除和写入数据，但有寿命次数限制。EPROM需要编程序对其写入数据，EPROM的芯片型号以“27”开头，如27C512、27C040等。EPROM一般用于存储系统程序，写入程序后使用标签将玻璃窗口封住，并在标签上注明版本和CHECKSUM（校验和）信息，维修时要注意不能将标签去除，如果因为查看芯片型号撕下标签，要记得重新贴回。
图1.49 EPROM
掩膜ROM的数据是在芯片制造过程中就固化好的，用户只能读取不能修改数据，此类芯片用于低成本大量制造的电子产品，如计算器、音乐芯片等。
PROM是一次性编程的ROM，芯片出厂时，内部数据全0或全1，用户编程只可写入一次，如果出错，芯片只有报废。
EEPROM（又写作E2PROM）既可以用编程器擦除和写入，也可以设置在电路上通过程序操作改写数据。EEPROM以“28”开头，如AT28C010、AT28C040。另有通过串行方式读写数据的SE2PROM，芯片型号以“24”“25”“93”开头，如24C04、25C04、93C46等，这类芯片内部可以存储少量数据，可用于设置用户参数等改变不频繁、数据量不大的数据，由于使用串行方式，电路设计可以大大简化。此类芯片通常只有8个引脚，通过SPI串行总线或I2C串行总线与其他控制芯片通信来存储程序。图1.50就是I2C总线通信的SE2PROM，由程序控制串行时钟线SCL和串行数据线SDA来完成数据的读写。
图1.50 串行SE2PROM
FLASH MEMORY（闪存）也是可以擦除数据的存储器，如今在便携式领域得到广泛应用，例如U盘就是典型的应用代表。Flash存储器芯片型号常见以“29”开头，如29F040。Flash芯片可见于存储可在线升级的主板BIOS程序。
铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起，在工控电路板中多有应用。
维修诀窍 存储器的检测
某些RAM芯片可以使用程序烧录器进行检测，烧录器可以对RAM进行写入、读出操作并进行校验，如果RAM损坏，则读出的代码和写入的代码不一致。
对有固定程序的非易失性存储器来说，也可以通过验证读出代码的CHECKSUM（校验和）来判断内部程序是否丢失或混乱，芯片读出的校验和可以跟芯片上标签标注的校验和比对，也可以找到确定程序未有损坏的相同电路板上的芯片，读出校验和进行比较。
从检修的统计规律来看，存储器是相对难以出现损坏的，但E2PROM特别是SE2PROM除外。不知是易受干扰还是芯片本身工艺方面的原因，如果说有带程序的芯片出问题，那么极大的可能性就是SE2PROM的问题，这类芯片出现问题也不是功能性损坏，而是存储的数据出现错误导致。例如变频器的参数出现莫名其妙的混乱，则很大可能性是存储参数的SE2PROM内部数据出现了混乱。
（6）运算放大器
运算放大器应用在模拟电路中。但凡电路板中有正负双电源的设计，就一定是去向模拟电路部分的，当然也有使用单电源的运算放大器，这样电路会简化。随着技术的进步，使用单电源、低电压的所谓rail to rail（轨到轨）运算放大器也不断开发出来得到应用。
运算放大器电路的具体分析和检测在“典型电路分析”一章有详细的介绍。
（7）稳压电源芯片
线性稳压电源芯片常见型号有正电压固定输出的78xx系列，负电压输出的79xx系列，输出正电压可调的xx317，输出负电压可调的xx337。在3.3V电路系统可以见到LDR（low dropout regulator意为低压差线性稳压器），这类芯片对稳压输入端和输出端的电压差别要求没有传统线性稳压芯片那么苛刻，需要至少2～3V的压差，如AMS1117可以将5V输入的电压稳定到3.3V输出。
LM2575、LM2576是常常见到的经典降压式的DC-DC开关电源芯片，MC34063则是升压式的DC-DC开关电源芯片。
常用的AC-DC开关电源控制芯片最经典的有TL494、UC384X系列，还有结构简单，容易构成小功率开关电源系统的TOP系列芯片。
这些芯片的经典电路可参见本书“典型电路分析”一章的详细介绍。
某些场合把电源做成DC-DC模块的形式，为电路的设计提供了方便，而且输出和输入可以完全电气隔离，如图1.51所示是一个将9～18VDC变换成5V/20W输出的DC-DC电源模块。
图1.51 DC-DC电源模块
（8）厚膜电路
厚膜电路也算是集成电路的一种，是将电阻、电容、电感、半导体器件甚至某些IC通过印刷、烧结、焊接等工艺建立连接关系，集成制作在陶瓷基片上，实现特定电路功能的一类器件，这类器件通常使用树脂密封，电气性能稳定，适合可靠性高或者高电压、大电流场合。如图1.52所示。
图1.52 厚膜电路