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数字集成电路是基于数字逻辑(布尔代数)设计和运行的,用于处理数字信号的集成电路。根据集成电路的定义,也可以将数字集成电路定义为:将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量,可将数字集成电路分为小规模集成(SSI)电路、中规模集成MSI电路、大规模集成(LSI)电路、超大规模集成VLSI电路、特大规模集成(ULSI)电路和巨大规模集成电路(GSI,Giga Scale Integration)。

小规模集成电路包含的门电路在10个以内,或元器件数不超过10个;中规模集成电路包含的门电路在10~100个之间,或元器件数在100~1000个之间;大规模集成电路包含的门电路在100个以上,或元器件数在1,000~10, 000个之间;超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上,或元器件数在100,000~1,000,000之间;特大规模集成电路的门电路在10万个以上,或元器件数在1,000,000~10,000,000之间。随着微电子工艺的进步,集成电路的规模越来越大,简单地以集成元件数目来划分类型已经没有多大的意义了,目前暂时以“巨大规模集成电路”来统称集成规模超过1亿个元器件的集成电路。

可将数字逻辑电路分成组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。在组合逻辑电路中,任意时刻的输出仅取决于当时的输入,而与电路以前的工作状态无关。最常用的组合逻辑电路有编码器、译码器、数据选择器、多路分配器、数值比较器、全加器、奇偶校验器等。在时序逻辑电路中,任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入,还与电路原来的状态有关。因此,时序逻辑电路必须有记忆功能,必含有存储单元电路。最常用的时序逻辑电路有寄存器、移位寄存器、计数器等。

具体的组合逻辑电路和时序逻辑电路不胜枚举。由于它们的应用十分广泛,所以都有标准化、系列化的集成电路产品,通常把这些产品叫做通用集成电路。与此相对应地把那些为专门用途而设计制作的集成电路叫做专用集成电路(ASIC)。

数字集成电路产品的种类很多,若按电路结构来分,可分成TTL和MOS 两大系列。数字集成电路在使用时有很多需要注意的事项,以下:

①不允许在超过极限参数的条件下工作。电路在超过极限参数的条件下工 作,就可能工作不正常,且容 易引起损坏。TTL集成电路的电源电压允许变化范围比较窄,一般在4.5~5.5V之间,因此必须使用+5V稳 压电源;CM0S集成电路的工作电源电压范围比较宽,有较大的选择余地。选择电源电压时,除首先考虑到 要避免超过极限电源电压外,还要注意到,电源电压的高低会影响电路的工作频率等性能。电源电压低, 电路工作频率会下降或增加传输延迟时间。例如CM0S触发器,当电源电压由+15V下降到十3V时,其最高 工作频率将从10MHz下降到几十千赫。

②电源电压的极性千万不能接反,电源正负极颠倒、接错,会因为过大电流而造成器件损坏。

③CM0S电路要求输人信号的幅度不能超过VDD~VSS,即满足VSS=V1=VDD。当 CM0S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,电路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VDD和小于0V;

2)·消除电源上的干扰;

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。

④对多余输人端的处理。对于CM0S电路,多余的输人端不能悬空,否则,静电感应产生的高压容易引起 器件损坏,这些多余的输人端应该接yDD或yss,或与其他正使用的输人端并联。这3种处置方法,应根据 实际情况而定。

对于TTL电路,对多余的输人端允许悬空,悬空时,该端的逻辑输入状态一般都作为“1”对待,虽然 悬 空相当于高电平,并不影响与门、与非门的逻辑关系,但悬空容易受干扰,有时会造成电路误动作。因此 ,多余输人端要根据实际需要做适当处理。例如,与门、与非门的多余输人端可直接接到电源上;也可将 不同的输人端公用一个电阻连接到电源上;或将多余的输人端并联使用。对于或门、或非门的多余输人端 应直接接地。

⑤多余的输出端应该悬空处理,决不允许直接接到VDD或VSS,否则会产生过大的短路电流而使器件 损坏 。不同逻辑功能的CM0S电路的输出端也不能直接连到一起,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,造成电源短路而引起器件损坏。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 与电源之间接人上拉电阻。

⑥由于CM0S电路输人阻抗高,容易受静电感应发生击穿,除电路内部设置保护电路外,在使用和存放时 应注意静电屏蔽;焊接CM0S电路时,焊接工具应良好接地,焊接时间不宜过长,焊接温度不要太高。更不 能在通电的情况下,拆卸,拔、插集成电路。

⑦多型号的数字电路之问可以直接互换使用,如国产的CC4000系列可与CD4000系列、MC14000系列直接互 换使用。但有些引脚功能、封装形式相同的IC,电参数有一定差别,互换时应注意。

⑧注意设计工艺,增强抗干扰措施。在设计印制线路板时,应避免引线过长,以防止信号之间的窜扰和 对信号传输的延迟。此外要把电源线设计得宽一些,地线要进行大面积接地,这样可减少接地噪声干扰。 在CM0S逻辑系统设计中,应尽量减少电容负载。电容负载会降低CM0S集成电路的工作速度和增加功耗。

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