集成电路基础知识

集成电路基础知识

++集成电路++

自本世纪初，真空电子管发明后，至今电子器件至今已经历了五代的发展过程。集成电路（IC）的诞生，使电子技术出现了划时代的革命，它是现代电子技术和计算机发展的基础，也是微电子技术发展的标志。

集成电路规模的划分，目前在国际上尚无严格、确切的定义。在发展过程中，人们逐渐形成一种似乎比较一致的划分意见，按芯片上所含逻辑门电路或晶体管的个数作为划分标志。一般人们将单块芯片上包含100个元件或10个逻辑门以下的集成电路称为小规模集成电路；而将元件数在100个以上、1000个以下，或逻辑门在10个以上、100个以下的称为中规模集成电路；门数有100T00000个元件的称大规模集成电路（LSI）,门数超过5000个，或元件数高于10万个的则称超大规模集成电路（VLSI）。

电路集成化的最初设想是在晶体管兴起不久的1952年，由英国科学家达默提出的。他设想按照电子线路的要求，将一个线路所包含的晶体管和二极管，以及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上，从而构成一块具有预定功能的电路。

1958年，美国德克萨斯仪器公司的一位工程师基尔比，按照上述设想，制成了世界上第一块集成电路。他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既用为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。

同年，另一家美国著名的仙童电子公司也宣称研制成功集成电路。由该公司赫尔尼等人所发明的一整套制作微型晶体管的新工艺一“平面工艺“被移用到集成电路的制作中，使集成电路很快从实验室研制试验阶段转入工业生产阶段。

1959年，德克萨斯仪器公司首先宣布建成世界上第一条集成电路生产线。1962年，世界上出现了第一块集成电路正式商品。虽然这预示着第三代电子器件已正式登上电子学舞台。

不久，世界范围内掀起了集成电路的研制热潮。早期的典型硅芯片为1.25毫米见方。60年代初，国际上出现的集成电路产品，每个硅片上的元件数在100个左右；1967所已达到1000个晶体管，这标志着大规模集成阶段的开端；到1976年，发展到一个芯片上可集成1万多个晶体管；进入80年代以来，一块硅片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经很普遍了，并且正在超大规模集成电路发展。如今，已出现属于第五代的产品，在不到50平方毫米的硅芯片上集成的晶体管数激增到200万只以上。

++74系列集成电路的分类及区别++

74系列集成电路大致可分为6大类：

l74xx（标准型）；

l74LS xx（低功耗肖特基）；

l74S xx（肖特基）；

l74ALS xx（先进低功耗肖特基）；

l74AS xx（先进肖特基）；

l74F xx（高速）。

近年来还出现了高速CMOS电路的74系列，该系列可分为3大类：

lHC为COMS工作电平；

lHCT为TTL工作电平，可与74LS系列互换使用；

lHCU适用于无缓冲级的CMOS电路。

这9种74系列产品，只要后边的标号相同，其逻辑功能和管脚排列就相同。根据不同的条件和要求可选择不同类型的74系列产品，比如电路的供电电压为3V就应选择74HC系列的产品。

++CMOS集成电路的性能及特点++

l功耗低

CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为

20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。

l工作电压范围宽

CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。

l逻辑摆幅大

CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD 及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS

集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

l抗干扰能力强

CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%,保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V 的供电电压（当VSS=OV时），电路将有7V左右的噪声容限。

l输入阻抗高

CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Q,因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

l温度稳定性能好

由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-

55~+125°C；塑料封装的电路工作温度范围为-45~+85°C。

l扇出能力强

扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

l抗辐射能力强

CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。l可控性好

CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。

l接口方便

因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。

++CMOS集成电路的工作原理++