数字集成电路的分类

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