《電工電子技術實訓教程》（石油）教學資料 課外拓展 電路入門小常識：電路概念之-TTL與CMOS集成電路

電路入門小常識：電路概念之——TTL與CMOS集成電路集成電路(integratedcircuit)是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母“IC”表示。集成電路發(fā)明者為杰克·基爾比(基于硅的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基于鍺的集成電路)。當今半導體工業(yè)大多數(shù)應用的是基于硅的集成電路。目前應用最廣泛的數(shù)字電路是TTL電路和CMOS電路。1、TTL電路TTL電路以雙極型晶體管為開關元件，所以又稱雙極型集成電路。雙極型數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種不同極性的載流子進行電傳導的器件。它具有速度高(開關速度快)、驅動能力強等優(yōu)點，但其功耗較大，集成度相對較低。根據(jù)應用領域的不同，它分為54系列和74系列，前者為軍品，一般工業(yè)設備和消費類電子產(chǎn)品多用后者。74系列數(shù)字集成電路是國際上通用的標準電路。其品種分為六大類：74××(標準)、74S××(肖特基)、74LS××(低功耗肖特基)、74AS××(先進肖特基)、74ALS××(先進低功耗肖特基)、74F××(高速)、其邏輯功能完全相同。2、CMOS電路MOS電路又稱場效應集成電路，屬于單極型數(shù)字集成電路。單極型數(shù)字集成電路中只利用一種極性的載流子(電子或空穴)進行電傳導。它的主要優(yōu)點是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規(guī)模集成。特別是其主導產(chǎn)品CMOS集成電路有著特殊的優(yōu)點，如靜態(tài)功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時間處于同數(shù)量級等，因而CMOS集成電路產(chǎn)品已成為集成電路的主流之一。其品種包括4000系列的CMOS電路以及74系列的高速CMOS電路。其中74系列的高速CMOS電路又分為三大類：HC為CMOS工作電平;HCT為TTL工作電平(它可與74LS系列互換使用);HCU適用于無緩沖級的CMOS電路。74系列高速CMOS電路的邏輯功能和引腳排列與相應的74LS系列的品種相同，工作速度也相當高，功耗大為降低。74系列可以說是我們平時接觸的最多的芯片，74系列中分為很多種，而我們平時用得最多的應該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種輸入電平輸出電平74LSTTL電平TTL電平74HCCOMS電平COMS電平74HCTTTL電平COMS電平另外，隨著推出BiCMOS集成電路，它綜合了雙極和MOS集成電路的優(yōu)點，普通雙極型門電路的長處正在逐漸消失，一些曾經(jīng)占主導地位的TTL系列產(chǎn)品正在逐漸退出市場。CMOS門電路不斷改進工藝，正朝著高速、低耗、大驅動能力、低電源電壓的方向發(fā)展。BiCMOS集成電路的輸入門電路采用CMOS工藝，其輸出端采用雙極型推拉式輸出方式，既具有CMOS的優(yōu)勢，又具有雙極型的長處，已成為集成門電路的新寵。3、CMOS集成電路的性能及特點功耗低CMOS集成電路采用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯(lián)的場效應管總是處于一個管導通另一個管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態(tài)功耗(在1MHz工作頻率時)也僅為幾mW。工作電壓范圍寬CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平"1"、邏輯低電平"0"分別接近于電源高電位VDD及電源低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標是較高的。抗干擾能力強CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓(當VSS=0V時)，電路將有7V左右的噪聲容限。輸入阻抗高CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極管和串聯(lián)電阻構成的保護網(wǎng)絡，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。溫度穩(wěn)定性能好由于CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數(shù)都具有對稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時，某些參數(shù)能起到自動補償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55~+125℃;塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45~+85℃。扇出能力強扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。抗輻射能力強CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬于多數(shù)載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實驗設備。可控性好CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制，其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的125%~140%。接口方便因為CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅動，也容易驅動其他類型的電路或器件。TTL—Transistor-TransistorLogic三極管-三極管邏輯MOS—Metal-OxideSemiconductor金屬氧化物半導體晶體管CMOS—ComplementaryMetal-OxideSemiconductor互補型金屬氧化物半導體晶體管Q：為什么BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道為什么。主要是受遷移率的影響。以NPN管和NMOS為例，BJT中的遷移率是體遷移率，大約為1350cm2/vs。NMOS中是半導體表面遷移率，大約在400-600cm2/vs。所以BJT的跨導要高于MOS的，速度快于MOS。這也是NPN(NMOS)比PNP(PMOS)快的原因。NPN比PNP快也是因為載流子遷移率不同，NPN中的基區(qū)少子是電子，遷移率大(1350左右);PNP的基區(qū)少子是空穴(480左右)。所以同樣的結構和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在雙極工藝中，是以作NPN管為主，PNP都是在兼容的基礎上做出來的。MOS工藝都是以N阱PSUB工藝為主，這種工藝可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工藝。BJT是之所以叫bipolar，是因為基區(qū)中既存在空穴又存在電子，是兩種載流子參與導電的;而MOS器件的反形層中只有一種載流子參與導電。但并不是因為兩種載流子導電總的遷移率就大了。而且情況可能恰恰相反。因為載流子的遷移率是與溫度和摻雜濃度有關的。半導體的摻雜濃度越高，遷移率越小。而在BJT中，少子的遷移率起主要作用。NPN管比PNP管快的原因是