数字集成电路的分类与特点

数字集成电路的分类与特点
数字集成电路有双极型集成电路(如TTL、ECL)和单极型集成电路(如CMOS)两大类,每类中又包含有不同的系列品种
一、TTL数字集成电路
这类集成电路内部输入级和输出级都是晶体管结构,属于双极型数字集成电路。其主要系列有:
1.74 – 系列
这是早期的产品,现仍在使用,但正逐渐被淘汰。
2.74H – 系列
这是74 – 系列的改进型,属于高速TTL产品。其“与非门”的平均传输时间达10ns左右,但电路的静态功耗较大,目前该系列产品使用越来越少,逐渐被淘汰。
3.74S – 系列
这是TTL的高速型肖特基系列。在该系列中,采用了抗饱和肖特基二极管,速度较高,但品种较少。
4.74LS – 系列
这是当前TTL类型中的主要产品系列。品种和生产厂家都非常多。性能价格比比较高,目前在中小规模电路中应用非常普遍。
5.74ALS – 系列
这是“先进的低功耗肖特基”系列。属于74LS – 系列的后继产品,速度(典型值为4ns)、功耗(典型值为1mW)等方面都有较大的改进,但价格比较高。
6.74AS – 系列
这是74S – 系列的后继产品,尤其速度(典型值为1.5ns)有显著的提高,又称“先进超高速肖特基”系列。
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CMOS数字集成电路是利用NMOS管和PMOS管巧妙组合成的电路,属于一种微功耗的数字集成电路。主要系列有:
1.标准型4000B/4500B系列
该系列是以美国RCA公司的CD4000B系列和CD4500B系列制定的,与美国Motorola公司的MC14000B系列和MC14500B系列产品完全兼容。该系列产品的最大特点是工作电源电压范围宽(3~18V)、功耗最小、速度较低、品种多、价格低廉,是目前CMOS集成电路的主要应用产品。
2.74HC – 系列
54/74HC – 系列是高速CMOS标准逻辑电路系列,具有与74LS – 系列同等的工作度和CMOS集成电路固有的低功耗及电源电压范围宽等特点。74HCxxx是74LSxxx同序号的翻版,型号最后几位数字相同,表示电路的逻辑功能、管脚排列完全兼容,为用74HC替代74LS提供了方便。
3.74AC – 系列
该系列又称“先进的CMOS集成电路”,54/74AC 系列具有与74AS系列等同的工作速度和与CMOS集成电路固有的低功耗及电源电压范围宽等特点。
CMOS集成电路的主要特点有:
(1)具有非常低的静态功耗。在电源电压VCC=5V时,中规模集成电路的静态功耗小于100mW。(2)具有非常高的输入阻抗。正常工作的CMOS集成电路,其输入保护二极管处于反偏状态,直流输入阻抗大于100MΩ。(3)宽的电源电压范围。CMOS集成电路标准4000B/4500B系列产品的电源电压为3~18V。(4)扇出能力强。在低频工作时,一个输出端可驱动CMOS器件50个以上输入端。(5)抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压值的45%,且高电平和低电平的噪声容限值基本相等。(6)逻辑摆幅大。CMOS电路在空载时,输出高电平VOH≥VCC-0.05V,输出低电平V0L≤0.05V。
数字集成电路的应用要点
1.仔细认真查阅使用器件型号的资料
对于要使用的集成电路,首先要根据手册查出该型号器件的资料,注意器件的管脚排列图赋码管理是什么意思
接线,按参数表给出的参数规范使用,在使用中,不得超过最大额定值(如电源电压、环境温度、输出电流等),否则将损坏器件。
2.注意电源电压的稳定性
为了保证电路的稳定性,供电电源的质量一定要好,要稳压。在电源的引线端并联大的滤波电容,以避免由于电源通断的瞬间而产生冲击电压。更注意不要将电源的极性接反,否则将会损坏器件。
3.采用合适的方法焊接集成电路
在需要弯曲管脚引线时,不要靠近根部弯曲。焊接前不允许用刀刮去引线上的镀金层,焊接所用的烙铁功率不应超过25W,焊接时间不应过长。焊接时最好选用中性焊剂。焊接后严禁将器件连同印制线路板放入有机溶液中浸泡。
4.注意设计工艺,增强抗干扰措施
在设计印刷线路板时,应避免引线过长,以防止窜扰和对信号传输延迟。此外要把电源线设计的宽些,地线要进行大面积接地,这样可减少接地噪声干扰。
三、TTL集成电路使用应注意的问题 焙烧炉
1.正确选择电源电压
TTL集成电路的电源电压允许变化范围比较窄,一般在4.5V~5.5V之间。在使用时更不能将电源与地颠倒接错,否则将会因为过大电流而造成器件损坏。
2.对输入端的处理
TTL集成电路的各个输入端不能直接与高于+5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接。对多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平,并不影响“与门、与非门”的逻辑关系,但悬空容易接受干扰,有时会造成电路的误动作。因此,多余输入端要根据实际需要作适当处理。例如“与门、与非门”的多余输入端可直接接到电源Vcc上;也可将不同的输入端共用一个电阻连接到Vcc上;或将多余的输入端并联使用。对于“或门、或非门”的多余输入端应直接接地。对于触发器等中规模集成电路来说,不使用的输入端不能悬空,应根据逻辑功能接入适当电平。
3.对于输出端的处理
除“三态门、集电极开路门”外,TTL集成电路的输出端不允许并联使用。如果将几个“集电极开路门”电路的输出端并联,实现线与功能时,应在输出端与电源之间接入一个计算好的上拉电阻。集成门电路的输出更不允许与电源或地短路,否则可能造成器件损坏。
四、CMOS集成电路使用应注意的问题
1.正确选择电源
由于CMOS集成电路的工作电源电压范围比较宽(CD4000B/4500B:3~18V),选择电源电压时首先考虑要避免超过极限电源电压。其次要注意电源电压的高低将影响电路的工作频率。降低电源电压会引起电路工作频率下降或增加传输延迟时间。例如CMOS触发器,当Vcc由+15V下降到+3V时,其最高频率将从10MHz下降到几十kHz。
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2.防止CMOS电路出现可控硅效应的措施
当CMOS电路输入端施加的电压过高(大于电源电压)或过低(小于0V),或者电源电压突然变化时,电源电流可能会迅速增大,烧坏器件,这种现象称为可控硅效应。
预防可控硅效应的措施主要有:
(1)输入端信号幅度不能大于Vcc和小于0V。
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(3)在条件允许的情况下,尽可能降低电源电压。如果电路工作频率比较低,用+5V电源供电最好。
(4)对使用的电源加限流措施,使电源电流被限制在30mA以内。常用的电源限流电路。
3.对输入端的处理
在使用CMOS电路器件时,对输入端一般要求如下:
(1)应保证输入信号幅值不超过CMOS电路的电源电压。即满足VSS≤VI≤Vcc,一般VSS=0V。(2)输入脉冲信号的上升和下降时间一般应小于数ms,否则电路工作不稳定或损坏器件。(3)所有不用的输入端不能悬空,应根据实际要求接入适当的电压(Vcc或0V)。由于CMOS集成电路输入阻抗极高,一旦输入端悬空,极易受外界噪声影响,从而破坏了电路的正常逻辑关系,也可能感应静电,造成栅极被击穿。
4.对输出端的处理
(1)CMOS电路的输出端不能直接连到一起。否则导通的P沟道MOS场效应管和导通的N沟道MOS场效应管形成低阻通路,造成电源短路。(2)在CMOS逻辑系统设计中,应尽量减少电容负载。电容负载会降低CMOS集成电路的工作速度和增加功耗。
(3)CMOS电路在特定条件下可以并联使用。当同一芯片上2个以上同样器件并联使用(例如各种门电路)时,可增大输出灌电流和拉电流负载能力,同样也提高了电路的速度。但器件的输出端并联,输入端也必须并联。
(4)从CMOS器件的输出驱动电流大小来看,CMOS电路的驱动能力比TTL电路要差很多,一般CMOS器件的输出只能驱动一个LS-TTL负载。但从驱动和它本身相同的负载来看,CMOS的扇出系数比TTL电路大的多(CMOS的扇出系数≥500)。CMOS电路驱动其他负载,一般要外加一级驱动器接口电路。
数字集成电路的接口电路
在使用数字集成电路设计一个电子系统时,经常把不同类型的集成电路进行转接,这就需
要增加接口电路,使各级电平或阻抗相匹配。
1.TTL与CMOS接口
图(a)是TTL电路与CMOS电路采用不同电源电压时的接口电路。C是加速电容,能改善频率响应,使信号波形的上、下沿更加陡直。假如TTL与CMOS电路采用同样的电源(+5V),为提高TTL输出的高电平,应在其输出端与+5V端接一只上拉电阻。电路如图(b)所示。
2.CMOS电路驱动LED或继电器接口电路
图(a)电路是CMOS驱动小型直流继电器的接口电路。当CMOS输出高电平时,三极管饱和,继电器线圈有电流通过,继电器吸合,可驱动报警器或执行机构工作。反之,继电器不动作。为保护三极管,在继电器线圈两端并联续流二极管。注意极性不得接反,否则不仅起不到保护作用,还使继电器无法正常工作。
在数字仪器中,经常要用发光二极管(LED)作电平指示或工作指示灯。此时可将LED串一限流电阻代替三极管集电极负载。电路如图(b)。
3.利用光电耦合器构成的接口电路
图电路是利用光电耦合器4N25组成的晶闸管触发接口电路。该电路由同相驱动器74LS07、4N25、三极管、变压器和整流电路等组成。触发电路使用独立电源,触发脉冲由A、B两端输出,A端为正输出端。当同相驱动器74LS07输出低电平时,光电耦合器的输出端导通,晶体管9013导通,A、B端有触发脉冲输出。反之,晶体管截止,触发脉冲结束。
图中是利用光电耦合器构成的另一种接口电路。用于触发双向晶闸管,不需要另外的触发电源,利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。MOC3021是双向晶闸管输出型的光电耦合器,输出端的额定电压为400V,最大输出电流为1A,最大隔离电压为7500V,输入端控制电流小于15mA。当74LS07输出低电平时,MOC3021的输入端有电流流入,输出端的双向晶闸管导通,触发外部的双向晶闸管KS导通。反之,MOC3021输出端的双向晶闸管关断,外部双向晶闸管KS在外部电压过零后也关断。
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