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 Logic)电路和I2L(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TTL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。
①74LS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。
②74S系列(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。
③74ALS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。
④74AS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。
⑤74F系列(简称F,FTTL或FAST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。
①ECL10K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。
②ECL100K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性。
CMOS电路的产品主要有:4000B(包括4500B),40H,74HC系列。
①4000B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。
②40H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。
③74HC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下面对表1中所列的主要性能作一说明。
①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。
②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3~18V;PMOS一般可工作在10~24V;HCMOS系列为2~6V。
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。
③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t pd,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t PHL,把输出电压上升边的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t PLH,平均延迟时间t pd定义为:t pd=(t PHL+t PLH)/2。
如TTL与非门,一般要求t pd=10~40ns之间,通常把t pd为40~160ns的称为低速集成电路,15~40ns的称为中速集成电路,6~15ns的称为高速集成电路,t pd≤6ns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。
④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CMOS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。
⑤速度·功耗积(S·P)速度·功耗积(S·P)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t pd与功耗P d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(S·P),即S·P=t pd·P d。
式中S·P的单位为pJ(皮焦耳),t pd的单位为ns,P d的单位为mw。
通常,S·P越小,电路性能越好。
在选用电路时,S·P是一个需要考虑的重要参数。
但一般不能仅仅依据S·P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。