常用數(shù)字集成電路原理與應(yīng)用

1、一、 數(shù)字集成電路的分類數(shù)字集成電路有多種分類方法，以下是幾種常用的分類方法。1按結(jié)構(gòu)工藝分按結(jié)構(gòu)工藝分類，數(shù)字集成電路可以分為厚膜集成電路、薄膜集成電路、混合集成電路、半導(dǎo)體集成電路四大類。如圖0-1所示。世界上生產(chǎn)最多、使用最多的為半導(dǎo)體集成電路。半導(dǎo)體數(shù)字集成電路（以下簡稱數(shù)字集成電路）主要分為TTL、CMOS、ECL三大類。ECL、TTL為雙極型集成電路，構(gòu)成的基本元器件為雙極型半導(dǎo)體器件，其主要特點是速度快、負(fù)載能力強，但功耗較大、集成度較低。雙極型集成電路主要有 TTL(Transistor-Transistor Logic)電路、ECL(Emitter Coupled Logic

2、)電路和IL(Integrated Injection Logic)電路等類型。其中TTL電路的性能價格比最佳，故應(yīng)用最廣泛。ECL，即發(fā)射極耦合邏輯電路，也稱電流開關(guān)型邏輯電路。它是利用運放原理通過晶體管射極耦合實現(xiàn)的門電路。在所有數(shù)字電路中，它工作速度最高，其平均延遲時間tpd可小至1ns。這種門電路輸出阻抗低，負(fù)載能力強。它的主要缺點是抗干擾能力差，電路功耗大。MOS電路為單極型集成電路，又稱為MOS集成電路，它采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫為MOSFET)制造，其主要特點是結(jié)構(gòu)簡單

3、、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。 MOS集成電路又分為PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，復(fù)合互補金屬氧化物半導(dǎo)體)等類型。MOS電路中應(yīng)用最廣泛的為CMOS電路，CMOS數(shù)字電路中，應(yīng)用最廣泛的為4000、4500系列，它不但適用于通用邏輯電路的設(shè)計，而且綜合性能也很好，它與TTL電路一起成為數(shù)字集成電路中兩大主流產(chǎn)品。C

4、MOS數(shù)字集成電路電路主要分為4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，實際上這三大系列之間的引腳功能、排列順序是相同的，只是某些參數(shù)不同而已。例如，74HC4017與CD4017為功能相同、引腳排列相同的電路，前者的工作速度高，工作電源電壓低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結(jié)構(gòu)。Bi-CMOS是雙極型CMOS（Bipolar-CMOS）電路的簡稱，這種門電路的特點是邏輯部分采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸出級采用雙極型三極管，因此兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路輸出阻抗低的優(yōu)點。綜上所述，TTL74系列、CMOS 4000（

5、4500）系列是通用性最強、應(yīng)用最廣泛的數(shù)字集成電路，因此，本書重點介紹這兩類常用的數(shù)字集成電路。2.根據(jù)集成電路規(guī)模的大小分 根據(jù)集成電路規(guī)模的大小，數(shù)字集成電路通常分為小規(guī)模集成電路（SSI） 、中規(guī)模集成電路（MSI） 、大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。(1) 小規(guī)模集成電路（Small Scale Integration，SSI）小規(guī)模集成電路通常指含邏輯門個數(shù)小于10 門(或含元件數(shù)小于100個)的電路。(2) 中規(guī)模集成電路（Medium Scale Integration，MSI）中規(guī)模集成電路通常指含邏輯門數(shù)為10門99門(或含元件數(shù)100個999個)的

6、電路。(3) 大規(guī)模集成電路（Large Scale Integration，LSI）大規(guī)模集成電路通常指含邏輯門數(shù)為1000門9999門(或含元件數(shù)1000個99999個)的電路。(4) 超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration，VLSI）超大規(guī)模集成電路通常指含邏輯門數(shù)大于10000 門(或含元件數(shù)大于100000個)的電路。 3. 根據(jù)電路的功能分（1）門電路 與門/與非門、或門/或非門、非門等。（2） 觸發(fā)器 鎖存器 R-S觸發(fā)器、D觸發(fā)器、J-K觸發(fā)器等（3） 編碼器 譯碼器 二進(jìn)制十進(jìn)制譯碼器、BCD7段譯碼器等。（4）計數(shù)器 二進(jìn)制、十進(jìn)制、N進(jìn)

7、制計數(shù)器等。（5）運算電路 加/減運算電路、奇偶校驗發(fā)生器、幅值比較器等。（6） 時基 定時電路 單穩(wěn)態(tài)電路 、延時電路等。（7） 模擬電子開關(guān) 數(shù)據(jù)選擇器 （8） 寄存器 基本寄存器、移位寄存器（單向、雙向）。（9） 存儲器 RAM、ROM、E2PROM、Flash ROM等。（10） CPU 對廣大電子愛好者來說，最需要了解和掌握的為第18類中小規(guī)模集成電路的原理與應(yīng)用，因此，本書按照該分類對第18類中常用的數(shù)字集成電路的基本工作原理及應(yīng)用作比較詳細(xì)地介紹。下面先介紹TTL 74系列和4000系列數(shù)字集成電路的型號組成及符號的意義。二、 數(shù)字集成電路的命名1. 數(shù)字集成電路型號的組成及符號

8、的意義數(shù)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(chǎn)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01所示為TTL 74系列數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義。1. TTL 74系列數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義表01 TTL74系列數(shù)字集成電路型號的組成及符號的意義第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分前綴產(chǎn)品系列器件類型器件功能器件封裝形式、溫度范圍符號意義符號意義符號意義符號意義54軍用電路-55 125oC標(biāo)準(zhǔn)電路阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能W陶瓷扁平H高速電路B塑封扁平代表制造廠商S肖特基電路F全密封扁平74民用通用電路LS低功耗肖特

9、基電路D陶瓷雙列直插ALS先進(jìn)低功耗肖特基電路P塑封雙列直插AS先進(jìn)肖特基電路2. 4000系列集成電路的組成及符號意義4000系列CMOS器件型號的組成及符號的意義見表02。表02 4000系列CMOS器件型號的組成及符號意義第1部分第2部分第3部分第4部分型 號 前 綴的意 義器 件 系 列器 件 種 類工作溫度范圍、封裝形式 代表制造廠商符 號意 義符 號意 義符號意 義CD美國無線電公司產(chǎn)品4045產(chǎn)品系列號阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能C0070CC中國制造E-4085TC日本東芝公司產(chǎn)品R-5585MC1摩托羅拉公司產(chǎn)品M-55125舉例說明如下：CT 74 LS 00 P（1） (2) (3

10、) (4) (5)封裝形式 P：塑料雙列直插封裝器件種類：四2輸入與非門器件系列：低功耗肖特基74TTL電路系列產(chǎn)品系列 74系列制造廠商 CT：國產(chǎn)TTL電路CT74LS00P為國產(chǎn)的（采用塑料雙列直插封裝）TTL 四2輸入與非門。SN 74 S 195 J（1） (2) (3) (4) (5)封裝形式 J：陶瓷雙列直插封裝器件種類：4位并行移位寄存器器件系列：肖特基74TTL電路系列產(chǎn)品系列 74系列制造廠商 SN：美國TEXAS公司制造SN74S195J為美國TEXAS公司制造的采用陶瓷雙列直插封裝的4位并行移位寄存器。同一型號的集成電路原理相同，通常又冠以不同的前綴、后綴，前綴代表制造商（有部分型號省略了前綴），后綴代表器件工作溫度范圍或封裝形式，由于制造廠商繁多，加之同一型號又分為不同的等級，因此，同一功能、型號的IC其名稱的書寫形式多樣，如CMOS 雙D觸發(fā)器4013有以下型號：CD4013AD CD4013AE CD4013CJ CD4013CN CD4013BD CD4013BE CD4013BF CD4013UBD CD4013UBE CD4013BCJ CD4013BCN；HFC4013 HFC4013BE HCF4013BF HCC4013BD/BF/BK HEF40