数字集成电路的分类
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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