数字161

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1、同学们早晨好!,1.6 数字集成电路,1.6.1 集成电路的制造技术类型 1.6.2 集成电路的封装类型 1.6.3 集成电路的规模类型 1.6.4 集成电路的使用特性,1.6.1 集成电路的制造技术类型,根据目前使用的数字集成电路的制造技术类型，数字集成电路主要有两大类： 一类是：用双极型晶体管构成的数字集成电路，称为TTL数字集成电路； 另一类是：用单极型CMOS晶体管构成的数字集成电路，称为CMOS数字集成电路。 场效应管CMOS集成电路与双极型晶体管TTL数字集成电路各有特点。,TTL数字集成电路特点： 工作速度高、驱动能力强、但功耗大、集成度低,不会对静电放电非常敏感。 通常由V直流

2、电源供电。 CMOS数字集成电路特点： 工艺简单、集成度高、功耗低、工作速度慢、较好的温度性、抗干扰性、抗辐射性和较低的噪声。 就直流电源而言，CMOS集成电路一般可分为+5V和+3.3V两类。 最具有代表性的CMOS逻辑系列和TTL逻辑系列？,逻辑系列：指一些集成电路芯片的集合。同一系列的芯片有类似的输入、输出和内部电路特征，但逻辑功能不同。同一系列的芯片可以通过直接相互连接实现各种逻辑功能，不同系列的芯片之间不能随意连接，它们可能采用不同的电源电压，或采用不同的电压值表示逻辑0和逻辑1。,CMOS逻辑系列,基本的CMOS4000系列 高速的CMOS74HC 、74HCT系列 先进的CMOS

3、74AC、74ACT系列 3.3V 电源CMOS 74LVC 、 74ALVC,2.TTL逻辑系列,1.CMOS逻辑系列,基本的CMOS4000系列 高速的CMOS74HC 、74HCT系列 先进的CMOS74AC、74ACT系列 3.3V 电源CMOS 74LVC 、 74ALVC,常用数字集成电路逻辑系列,54军品系列 74民品系列,74标准TTL系列74XXX 74低功耗TTL系列74LXXX 74肖特基TTL系列74SXXX 74低功耗肖特基TTL系列74LSXXX 74高速TTL系列74FXXX 74先进肖特基TTL系列74ASXXX,3.ECL逻辑系列,CE10K系列 CE1600

4、系列 CE11C00系列 CE100K系列,高速逻辑电路系列,4.BCT逻辑系列：新一代高性能VLSI的BiCMOS工艺。,基本的CMOS4000系列 这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为318V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHz。,1.CMOS逻辑系列,基本的CMOS4000系列 高速的CMOS74HC 、74HCT系列 先进的CMOS74AC、74ACT系列 3.3V 电源CMOS 74LVC 、 74ALVC,高速的CMOS74HC 、74HCT系列系列74HC系列电路主

5、要从制造工艺上对4000系列作了改进，使其工作速度大大提高了，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHz。HC系列的电源电压范围为26V。74HCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容，它的电源电压范围为4.55.5V。它的输入电压参数为VIH（min）=2.0V；VIL（max）=0.8V，与TTL完全相同。注意：74HC/HCT系列与74LS系列的产品，只要最后3位数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS产品代替TTL产品提供了方便。例如：74LS148 74HCT148,先进的CMOS74AC（ACT）系列 74AC（ACT）系列

6、的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了CMOS超低功耗的特点。其中ACT系列与TTL器件电压兼容，电源电压范围为4.55.5V。AC系列的电源电压范围为1.55.5V。74AC（ACT）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型号的74HC（HCT）系列完全相同。,按工作温度和电源允许变化范围不同分为74系列和54系列，74系列用于民品，54系列用于军品。74系列和54系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但54系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。,TTL逻辑门系列,54军品系列 74民品系列,74标准TTL系列74XXX 74低功耗TTL系列74LXXX 74肖特基TTL

7、系列74SXXX 74低功耗肖特基TTL系列74LSXXX 74高速TTL系列74HXXX 74先进肖特基TTL系列74ASXXX,2.TTL逻辑门（晶体管晶体管逻辑门）,其中，TTL-LS 系列综合性能优越、品种多、价格便宜；,3.ECL系列(发射极耦合逻辑系列) CE10K(2ns)系列 CE1600(1ns)系列 CE11C00(亚纳秒)系列：传输延迟只有0.7ns。 CE100K(亚纳秒)：传输延迟可以减少为0.75ns。ECL电路的最大特点是其基本门电路工作在非饱和状态，因此ECL又称为非饱和性逻辑。也正因为如此，ECL电路的最大优点是具有相当高的速度。但ECL电路的逻辑摆幅较小（仅

8、约0.8 V）。,4.BiCMOS （Bipolar CMOS）74BCT系列BiCMOS：是继CMOS后的新一代高性能VLSI的BiCMOS工艺。BiCMOS电路特点是将CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术：采用CMOS电路实现逻辑功能；采用驱动能力强的TTL电路实现输出级。Bi-CMOS性能特点：具有CMOS电路的低功耗，同时具有TTL输出电阻低、负载能力强、传输延迟时间短等特点。,ECL系列是当前速度最快的逻辑电路，功耗也是各种集成电路中最高的。74BCT系列速度比CMOS和TTL都快，但比ECL慢，功耗比TTL低，但比CMOS高。CMOS目前应用最为广泛的。,各种系列电路的延

9、时与功耗关系,1.6.2 集成电路的封装类型,封装：就是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。 封装作用 这个外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片等作用； 而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。 芯片内与外部连接的点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板（印刷电路板PCB ）上的插座或导线与其它器件建立连接。,1.集成电路封装分类 集成电路封装形式取决于它们装配在印制电路板上的方式，通常分为两大类： 插孔装配：穿孔安装或插座安装； 平面装配（表面安装技术SMT）：,双列直插式DIP,小规模集成门电路大多封装类型,陶瓷双列直插 塑料双列直插,DIP,目前芯片封装多是采用绝缘的塑料或

10、陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。,由于现在处理器芯片的内频越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。,封装时主要考虑的因素： 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1 ； 引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能 ； 基于散热的要求，封装越薄越好 。,双列直插DIP,DIP,引脚间距2.54mm, 两列引脚间距宽15.24mm，窄7.62mm,上世纪70年代流行的是双列直插封装DIP，这期间Intel公司的CPU如8086、80286都采用DIP封装 ，采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP

11、结构的芯片插座上,当然,也可以直接插在有相同焊孔数的电路板上进行焊接。 目前虽然DIP封装已经有些过时，但是标准逻辑电路（门电路）、触发器等小规模集成电路多采用此封装方式。现在也还有主板的BIOS芯片还采取的这种封装形式。,为什么主板BIOS芯片采用DIP封装？,采用塑料双列直插式封装（DIP）主板BIOS芯片,SST美国超捷半导体有限公司（Silicon Storage Technology, Inc.） SST是闪存芯片制造商，闪存技术的领导者之一。,怎样确定标准小规模集成电路引脚号？,双列直插封装引脚数有：14，16，20，24，28等若干种。,标准小规模集成电路引脚,74LS00（4双

12、输入正与非门）, 74LS30 （8输入与非门）， 74LS86（4个异或门）,三个小规模组件的引脚排列图。 这三个组件都有14个引脚，双列直插，以组件左边缺口标记为基准，14号引脚接+5V电源，7号引脚接地，其余引脚作为门电路输入端或输出端。,当芯片电源接上以后，芯片中的所有门电路均有电源。,1.6.3 集成电路的规模类型,集成电路的规模是指单个芯片上集成的门电路数目的多少。按照电路复杂性的不同，通常分为以下五种类型： （）小规模集成电路SSI：单个芯片上集成12个以下的门，实现基本逻辑门的集成和触发器电路。 （）中规模集成电路MSI：单个芯片上集成1299个门，实现功能部件级集成，如数据选

13、择器、数据分配器、译码器、编码器、加法器、乘法器、比较器、寄存器、计数器。 （）大规模集成电路LSI：单个芯片上集成1009999个门电路，实现子系统集成。 （）超大规模集成电路VLSI：单个芯片上集成1000099999个门电路，实现系统级集成。 （）巨大规模集成电路ULSI：单个芯片上集成10万个以上的门电路，实现大型存储器、大型微处理器等复杂系统的集成。,1.6.4 集成电路的使用特性,1.负载能力 一个门电路的输出端所能连接的同类门电路的下一级门电路的输入端的个数，称为扇出系数NC，或称负载能力。,使用集成电路负载能力、延迟特性和功耗特性。,TTL一般普通门电路的扇出系数为8，驱动门（

14、功率门）的扇出系数可高达25。 CMOS门扇出系数更大一些，一般可达4050。,空载 负载,NC40的74HCT00芯片能带40个74LS00芯片？ 如果某一个芯片所带的负载超过它所允许的NC，会怎样？,如果门电路所带的负载个数多于NC ，输出特性变差，则输出低电平会升高，输出高电平会降低，有可能使输出电平成为逻辑模糊电平，且会使芯片工作速度变慢。,扇入系数（Nr） 门电路输入端所容许的同类门电路的输入端数目，称为扇入系数。一般普通门电路扇入系数为15，最多不超过8个。,使用中如果Nr 不够可通过增加电路级数或使用扩展器等方法解决。,Nr不够用？,多余的输入端需处理？,多余端怎么处理？,.空脚

15、处理 多余输入端的处理应以不改变电路逻辑关系及稳定可靠为原则，未使用的输入端引脚应当连接到一个固定的逻辑电平（高或低）。 通常采用下列方法。,对于与门及与非门：,对于或门及或非门多余输入端？ 多余输入端应接低电平，比如直接接地，也可以与有用的输入端并联使用。,.延迟特性 平均传输延迟时间是反映门电路工作速度的一个重要参数。,组合逻辑电路的竞争和冒险（险象） 利用门电路的延时制作边沿触发器,定义：t1为前沿延迟；t2为后沿延迟； 则它们的平均值称为平均传输延迟时间简称平均时延。,74LS00 芯片915ns 74HCXX已达9ns,.功耗特性 门电路输出端空载时的功耗为空载功耗 。 当集成电路的

16、输出端空载，门电路输出低电平时电路的功耗，称为空载导通功耗 Pon，反之为空载截止损耗Poff，空载平均功耗为,集成电路的功耗与电路工作频率和集成度密切相关。 频率越高，空载功耗越大。 功耗大的器件集成度不能很高，否则器件因无法散热而容易烧毁。 CMOS集成电路的功耗和扇出系数等参数优于TTL。 一般TTL功耗为mW级， CMOS为w级。,第二章 组合逻辑,主要内容： 组合逻辑电路的分析和设计方法； 电路中的竞争和冒险现象及其判断和消除方法； 常用组合逻辑模块工作原理及其应用。常用的中规模组合逻辑模块包括：数据选择器、数据分配器、编码器、译码器、数值比较器、加法器、奇偶校验器等。,组合逻辑电路：它的输出逻辑状态只和当时的输入逻辑状态有关，而与电路的过去状态无关。电路为开环结构，没有输出端向输入端的反馈，无记忆。时序逻辑电路：输出不仅与当前的输入逻辑状态有关，而与过去的电路状态有关。电路为闭环结构，输出端有向输入端的反馈输入，具有记忆特性。,