第十七章_集成电路的种类

第十七章集成电路的种类概述集成电路是由晶体管器件连线构成的。

在电子工具和机器中，集成电路可以完成各种不同的功能。

本章将对通用的电路类型及其功能做出解释。

目的完成本章后您将能够：1.解释二进制数字的概念。

2.列出三种主要集成电路的功能。

3.比较模拟电路和数字逻辑电路的基本原理。

4.逻辑栅阵列和PAL电路的使用和产品优点。

5.解释两种主要存储电路类型。

6.列出四种非易失性存储器电路。

7.比较动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）存储电路的工作状况和价格因素。

介绍半导体工业的主要产品是集成电路。

使用本书描述的工艺过程可以制造无数数量和类型的电路。

集成电路（IC）的主要生产厂家比如National半导体和摩托罗拉，他们生产的电路种类的目录就象纽约的电话号码簿一样浩如烟海。

而象IBM, 估计他们内部的电路分类列表要超过50000个单独的电路。

要熟悉如此之多的集成电路并不意味着一定会是一件可怕的工作。

实际上，大多数电路按其特定的设计原理和功能可以被划分为三种基本类型：逻辑电路，存储电路和微处理器（逻辑和存储）（图17.1）。

电路的多样性主要来自于所需的大量特殊用途参数的转变。

本章将就主要功能的电路种类及其设计做出解释。

在最后一部分，我们将从当今工业的前景展望IC电路的未来。

我们仅能想象电路到2010年会是什么样子，就象在1950年，没有人能预测兆位RAM或者微处理器。

电路基础关于集成电路实际如何工作的问题不在本文讨论。

但是所有的电路都是以二进制代码的数值处理作为基础的。

二进制数是由两个数-----零和一来表示所有的数值。

它实际上是一个明了位置和数字组成值的计数系统。

数字可以由数的和来表示。

例如：1= 1 + 03= 2 + 17= 4+ 2 + 110= 8 + 2数字的另一种表示方法是由因数的幂和根来表示。

二进制代码的要素是由数值2的幂。

如图17.2所示1，2，4，8可由2的幂来表达。

我们也可以用2 的幂表示其它值。

那麽1是2的0次幂、2是2的1次幂、4是2的2次幂、8是2的3次幂。

图17.1 集成电路功能图17.2 2的幂现在就很清楚，所有数值都可以由2的幂的和来表达。

25是16（24）+8（23）+1（20）。

的和。

也就是说，25里有一个24，一个23，0个22和1个20。

或折5可以由二进制代码1101表示。

每一个数值代表2的幂存在和缺少。

在图17.3列出了一些用二进制表示的数值。

数值转变成二进制代码可以通过建立一个每一列都由2的幂表示的格子非常容易地完成，一串组成数字的0和1指示2的幂存在和缺少，可以表示数的实际值。

二机制符号已经被认识有几个世纪了，Buckminsteer Fuller，在他的“Synergistics”一书中，有一个关于古代腓尼基人使用二进制代码计算货物数量的有趣说明。

他声称人们认为腓尼基人的水手很愚蠢，因为他们在工作日的系统中不能算清货物，实际上，他们是仅仅使用两个数准确地计量大量的货物。

他们是在使用二进制数来计数。

在二进制符号中仅需要两个数字，1和0。

在上面的讨论中，二进制符号由0和1表示。

在物理世界中，任一个系统的两种条件都可以表示成二进制符号。

图17.4显示数字7的不同的编码方法。

最后一行是用晶体管或者存储单元的关--开表示二制编码。

在电路中，数字由二进制码来编码，存储和操作。

这都是因为电容可以通过充电得到一个电荷或没有电荷，晶体管也可以开或关。

电路中记录信息的最小单位称为“二进制数”或“位”。

图17.4 二进制7的表示二机制编码系统很简单。

十九世纪的数学家Gorge Boole已经解决了编码加、减、乘的问题。

他发展了一个处理数字的二进制符号的逻辑系统。

直到电脑逻辑的发展前，他的布林逻辑（或称布林代数）一直是一个学术奇迹。

芯片和电脑被设计用来处理二进制数或字的精确大小。

一个8位机可以同时处理8个二进制位。

一个32位机能够处理组成32个二进制位的数字。

计算机能够同时处理的位越多，数据处理过程就越快，功能越强大。

8位称为1个字节。

这样，一个8兆位的存储能力能够保留800万位的信息。

集成电路类型晶体管集成电路由一些单独的功能区域组成。

每一个芯片不管它的电路功能如何，都有一个输入部分和编码部分，输入的信号可以在这里编译成电路理解的形式。

电路区域的主要部分包含完成逻辑或存储功能的电路结构。

数据由电路处理后，回到解码部分，重新转换成机器输出结构使用的形式。

电路输出部分把数据传送到外界。

虽然这是对电路的一个概括的简单解释，却说明了芯片内部一定的单独功能区域的实际状况。

在许多电路中，这些区域作为计算机的主要部分完成同样的功能。

电路类型分成三种主要的分类：逻辑、存储和逻辑加存储（微处理器）。

逻辑电路完成一个输入数据的特殊逻辑运算。

例如，在一个计算器上按”+”键命令芯片的逻辑部分加上现有的数字。

一个随汽车携带的计算机把从指示车门打开的传感器显示的信号进行逻辑操作后可以使位于仪表盘上的正确的报警灯亮起来。

存储电路被设计成可以存储和返回与输入相同格式的数据。

按计算器上的PI 键, 激活电路中保存PI值的存储部分, 数值3.14就显示在屏幕上。

而且每次显示值相同。

第三种类型电路把逻辑和存储功能结合在一起称为微处理器。

1972年，英特尔公司生产出第一批应用微处理器。

这种微处理器可以设计成强大的个人电脑、数字手表、单板计算器。

许多商用设备转变成晶体管电路，从电话系统转变成自动售卖机。

微处理器经过编程可以完成各种电路功能。

要做到这一点，他们通常包括象编码、译码、输入和输出部分的逻辑和存储电路。

微处理器使单板计算器、数字手表和个人电脑的制造成为可能。

当微处理器具有计算机的所有功能后，已被称为单板计算机。

它实际上并不是一个完整的计算机。

他的内存存储量甚至不如很简单的计算机。

在许多个人电脑中，微处理器行使中央处理单元（CPU）的功能。

一定要有附加的内存芯片来完成电脑的实际应用。

实际上，每个集成电路都既有逻辑能力又有存储部分。

例如，计算器的逻辑电路必须有一定的存储空间里完成计算。

存储电路必须有一定的逻辑功能使得电子和空穴流向电路的正确部分以便于储存。

逻辑电路模拟—数字逻辑电路。

逻辑电路有两种分类：模拟逻辑电路和数字逻辑电路（图17.5）。

模拟电路是最早发展的电路。

一个模拟电路有一个与输出保持均衡的输入部分。

数字电路则针对各种输入预先确定特定的输出。

壁灯的调光器是一个模拟器件。

调节调光器来控制不同的电压，使电灯光的明暗得到调节。

一个标准开关灯的电门是数字器件。

光线条件只有两种可能：开或关。

许多音响电路都属于模拟类型。

改变音量的设定水平导致扬声器送出的声音相应的改变。

图17.5 逻辑电路类型模拟逻辑电路。

模拟电路是最早以集成方式设计的电路。

上世纪50年代的家用计算机业余爱好的成套用具就是模拟类型的。

这些简单的电路以欧姆法则（R=U/I）为基础。

电路中包括电阻表和通过测量电压得到产生的电流的方法。

这三个数值由欧姆规则相互关联。

三个变量的简单关系可以由电阻，电压和电流来表示。

改变其中的一个变量就可以改变另外两个。

所以电路使计算机能够解决任何象等式A=B/C的问题。

模拟电路的要依靠输入和输出之间的关联精度。

在一个简单的计算机图示中，其准确性靠的是电路组成的精确度、输入设定和输出读数的仪表的清晰和电路对于外部噪声的抗干扰性。

除非电路包含控制引入电压水平的部分，线电压的改变都将改变输出结果，影响准确度。

无论简单还是复杂的模拟电路，由于引入信号和内部噪声的变化都会受到影响。

模拟电路还要靠电阻值的精度控制。

不幸的是，比设计值还要好3%到5%的扩散型电阻还不能生产出来。

这样，许多应用都无法完成。

我们通过使用匹配电阻对可以获得更精确的电阻，电路中两个电阻器之间的有效阻值是不一样的。

这种不同可以比单独的电阻器获得更紧密的控制。

离子注入也为模拟电路设计者提供了生产更高等级控制的电阻的工具。

许多模拟电路通过薄膜电阻特性获得所需的精度。

数字电路的发展和流行基于其具有固定输出的能力。

如果需要一个单独的5V信号来操作器件，设计一个每一时刻都能产生5V信号数字电路就可以了，不管输入改变和内部电噪声。

然而数字电路不能像线性电路反应那样快。

电子学中的术语是实时响应。

在一些应用中，比如航班的控制，实时响应是强制的。

当前数字电路速度的发展正在加速数字电路蚕食传统模拟电路的进程。

数字电路对于模拟电路一个主要的优势在于计算机中的通用。

要想把模拟电路设计成适于问题的普遍范围就更困难了，所有目前通用的计算机都是给予数字电路的。

模拟电路广泛的应用于放大器中。

对于许多不同的应用，他们被设计成各种结构。

但都有一个基本原则——输入信号或脉冲是被放大的。

为了提供所需的声音水平操作扬声器，音频电路要把从曲调录制或其它方式输入的弱信号进行放大。

模拟电路在实时响应方面的能力也使它们成为现实世界的电路。

象温度或运动有实际测量的电路，模拟电路都有使用。

甚至在一些主要部分是数字电路的电路中，模拟电路也经常作为与外部接口的部分。

许多模拟放大电路具有不同的操作类型。

这些电路从两个出入信号差别的比例而提供一个输出放大电压。

这些电路对于双极型技术是有利的，因为双极型电路是当今器件中的标准组件，更适于模拟电路的所需的应用。

模拟器件的输出信号可以与输入信号成一一对应的关系。

这些电路被称为是线性的。

如果输入改变，输出以线性形式改变。

所以许多模拟电路是线性设计的，模拟和线性这两个术语经常可以互换使用。

然而，有一些非线性电路，其输入和输出之间是对数关系。

逻辑电路是由逻辑门组成的。

一个门控制和命令通过屏障的通道。

门的大小和设计影响允许的通道数量。

例如，一间有许多“进”的门但仅有一个“出”的门的房间是一个门。

许多人可以进入房间，但是他们出门是受限制的，因为只提供了一个门。

这个例子中的门也可以反向操作，允许任只从一个门进入可以从多个门离开。

电子逻辑门完成同样的功能，只不过是电信号而已。

在电路中他们通过布林逻辑规则完成必要的逻辑操作。

有关在逻辑设计中他们结合的讨论超出了本文的范围。

本文所涉及的是在逻辑电路中由不同部分连线形成的模拟和数字门。

主要的双极型模拟逻辑电路设计是：RTL 电阻器—晶体管逻辑DTL 二极管—晶体管逻辑ECL 发射极—连结的晶体管逻辑DCTL 直接连结的晶体管逻辑I2L 完整的注入晶体管逻辑完整注入逻辑是构成逻辑门的另一种途径。

在这种排列中，双极型晶体管进行相反模式的操作，用发射极作为集电极、集电极作发射极。

高级的I2L门的设计把在基极和集电极之间的Scottky二极管（有时称为钳制二极管）和双极型晶体管构造在一起。

这种排列结果形成一个快速晶体管，从而形成快速电路。

定制——半定制逻辑。

使用任何一种逻辑门方式排列，成百上千的不同的逻辑电路都能构建成。