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數字集成電路的分類

數字集成電路有多種分類方法，以下是幾種常用的分類方法。
按結構工藝分
按結構工藝分類，數字集成電路可以分為厚膜集成電路、薄膜集成電路、混合集成電路、半導體集成電路四大類。圖如下所示。
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世界上生產最多、使用最多的為半導體集成電路。半導體數字集成電路（以下簡稱數字集成電路）主要分為TTL、CMOS、ECL三大類。
ECL、TTL為雙極型集成電路，構成的基
( http: / / www.21cnjy.com )本元器件為雙極型半導體器件，其主要特點是速度快、負載能力強，但功耗較大、集成度較低。雙極型集成電路主要有
TTL(Transistor-Transistor
Logic)電路、ECL(Emitter
Coupled
Logic)電路和I２L(Integrated
Injection
Logic)電路等類型。其中TTL電路的性能價格比最佳，故應用最廣泛。
ECL，即發射極耦合邏輯電路，也稱電流開關
( http: / / www.21cnjy.com )型邏輯電路。它是利用運放原理通過晶體管射極耦合實現的門電路。在所有數字電路中，它工作速度最高，其平均延遲時間tpd可小至1ns。這種門電路輸出阻抗低，負載能力強。它的主要缺點是抗干擾能力差，電路功耗大。
MOS電路為單極型集成電路，又稱為MOS集
( http: / / www.21cnjy.com )成電路，它采用金屬－氧化物半導體場效應管(Metal
Oxide
Semi-conductor
Field
Effect
Transistor,縮寫為MOSFET)制造，其主要特點是結構簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。
MOS集成電路又分為PMOS(P-channel
Metal
Oxide
Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導體)、NMOS(N-channel
Metal
Oxide
Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導體)和CMOS(Complement
Metal
Oxide
Semiconductor，復合互補金屬氧化物半導體)等類型。
MOS電路中應用最廣泛的為
( http: / / www.21cnjy.com )CMOS電路，CMOS數字電路中，應用最廣泛的為4000、4500系列，它不但適用于通用邏輯電路的設計，而且綜合性能也很好，它與TTL電路一起成為數字集成電路中兩大主流產品。CMOS數字集成電路電路主要分為4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，實際上這三大系列之間的引腳功能、排列順序是相同的，只是某些參數不同而已。例如，74HC4017與CD4017為功能相同、引腳排列相同的電路，前者的工作速度高，工作電源電壓低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構。
Bi-CMOS是雙極型CMOS（Bip
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TTL類型
這類集成電路是以雙極型晶體管（即通
( http: / / www.21cnjy.com )常所說的晶體管）為開關元件，輸入級采用多發射極晶體管形式，開關放大電路也都是由晶體管構成，所以稱為晶體管-晶體管-邏輯，即Transistor-Transistor-Logic，縮寫為TTL。TTL電路在速度和功耗方面，都處于現代數字集成電路的中等水平。它的品種豐富、互換性強，一般均以74（民用）或54（軍用）為型號前綴。
①
74LS系列（簡稱LS，LST
( http: / / www.21cnjy.com )TL等）。這是現代TTL類型的主要應用產品系列，也是邏輯集成電路的重要產品之一。其主要特點是功耗低、品種多、價格便宜。
②
74S系列（簡稱S，STTL等）。這是TTL的高速型，也是目前應用較多的產品之一。其特點是速度較高，但功耗比LSTTL大得多。
③
74ALS系列（簡稱ALS，ALSTTL
( http: / / www.21cnjy.com )等）。這是LSTTL的先進產品，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，所以成為LS系列的更新換代產品。
④
74AS系列（簡稱AS
( http: / / www.21cnjy.com )，ALSTTL等）。這是S
TTL（抗飽和TTL）的先進型，速度比STTL提高近一倍，功耗比STTL降低一倍以上，與ALSTTL系列合并起來成為TTL類型的新的主要標準產品。
⑤
74F系列（簡稱F，
( http: / / www.21cnjy.com )FTTL或FAST等）。這是美國（仙童）公司開發的相似于ALS、AS的高速類TTL產品，性能介于ALS和AS之間，已成為TTL的主流產品之一。
ECL類型
ECL（Emitter
Coupled
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Logic的縮寫）門是雙極型邏輯門的一種非飽和型的門電路，它的電路構成和差分放大器外形相似，但工作在開關狀態，即截止與放大兩種工作狀態。它是非飽和的發射極耦合形式的電源開關，故稱為發射極耦合邏輯（ECL）。由于它工作在非飽和狀態，其突出優點是開關速度非常高，在邏輯上具有靈活性，所以ECL門是高速邏輯門電路中的主要類型。同時，這類電路還具有邏輯功能強、扇出能力高、噪聲低和引線串擾小等優點。因此，廣泛應用于高速大型計算機、數字通信系統、高精度測試設備等方面。此類電路的缺點是功耗大，此外，由于電源電壓和邏輯電平特殊，使用上難度略高。通用的ECL集成電路系列主要有ECL10K系列和ECL100K系列等。
①
ECL10K系列是門電路傳輸延遲時
( http: / / www.21cnjy.com )間為20ns、功耗為25mw的邏輯電路系列，屬于ECL中的低功耗系列，是目前應用很廣泛的一種ECL集成電路系列。
②
ECL100K系列，最初由美國
( http: / / www.21cnjy.com )FSC（仙童公司）生產，是現代數字集成電路系列中性能最優越的系列，其最大特點是速度高。同時還具有邏輯功能強、集成度高和功耗低等特點。因此，它已廣泛應用于大型高速電子計算機和超高速脈碼調制器等領域中。
CMOS類型
CMOS類型集成電路是互補金屬氧化物半導
( http: / / www.21cnjy.com )體數字集成電路的簡稱，這里C表示互補的意思，這是由P溝道MOS晶體管和N溝道MOS晶體管組合而成的。CMOS電路首先由美國無線電公司（RCA）實驗室研制成功的。由于電路具有微功耗、集成度高、噪聲容限和寬工作電壓范圍等許多突出的優點，所以發展速度很快，應用領域不斷擴大，現在幾乎滲透到所有的相關領域。尤其是隨著大規模和超大規模集成電路的工作速度和密度不斷提高、過大的功耗已成為設計上的一個難題。這樣，具有微功耗特點的CMOS電路已成為現代集成電路中重要的一類，并且越來越顯示出它的優越性。
CMOS電路的產品主要有：4000B（包括4500B），40H，74HC系列。
①
4000B系列。這是國際上流行的
( http: / / www.21cnjy.com )CMOS通用標準系列，例如，美國無線電公司（RCA）的CD4000B，摩托羅拉（MOTA）的4500B和MC4000系列，國家半導體（NS）公司的MM74C000系列和CD4000系列，德克薩斯公司（TI）的TP4000系列，仙童（FS）公司的F4000系列，日本東芝公司的TC4000系列，日立公司的HD14000系列。國內采用CC4000標準，這個標準與CD4000B系列完全一致，從而使國產CMOS電路與國際上的CMOS電路兼容。
4000B系列的主要特點是速度低、功耗最小、并且價格低、品種多。
②
40H系列。這是日本東芝公司初創的
( http: / / www.21cnjy.com )較高速鋁柵CMOS，以后由夏普公司生產，分別用TC40H-，LR40H-為型號，我國生產的定為CC40系列。40H系列的速度和N-TTL相當，但不及LS-TTL。此系列品種不太多，其優點是引腳與TTL類的同序號產品兼容，功耗、價格比較適中。
③
74HC系列（簡稱HS或H
( http: / / www.21cnjy.com )-CMOS等）。這一系列首先由美國NS，MOTA公司生產，隨后，許多廠家相繼成為第二生產源，品種豐富，且引腳和TTL兼容。此系列的突出優點是功耗低、速度高。
國內外74HC系列產品各對應品種的功能
( http: / / www.21cnjy.com )和引腳排列相同，性能指標相似，一般都可方便地直接互換及混用。國內產品的型號前綴一般用國標代號CC，即CC74HC。
各類數字集成電路的性能
為了系統地掌握各類數字集成電路的主要性能，便于實際應用時選擇合適的器件，現將各類數字電路的主要性能和特點進行比較，如表1所示。
表1
各類數字電路的性能
性
能
名
稱
單
位
LSTTL
ECL
PMOS
NMOS
CMOS
主要特點
高速低功耗
超高速
低速廉價
高集成度
微功耗高抗干擾
電源電壓
V
5
5.2
+20
12.5
3～8
單門平均延遲時間
ns
9.5
2
1000
100
50
單門靜態功耗
mW
2
25
5
0.5
0.01
速度·功耗積（S·P）
PJ
19
50
100
10
0.5
直流噪聲容限
V
0.4
0.145
2
1
電源的40％
扇出能力
10～20
100
20
10
1000
下面對表1中所列的主要性能作一說明。
表1所列出的各種技術數據
各種技術數據均為一般產品的平均數據，與各公司生產的各品種的集成電路實際情況有可能不完全相同。因而具體選用時，還需查更詳細的資料。
②
電源電壓
TTL類型的標準工作電壓都是+5V，其他邏
( http: / / www.21cnjy.com )輯器件的工作電壓一般都有較寬的允許范圍。特別是MOS器件，如CMOS中的4000B系列可以工作在3～18V；PMOS一般可工作在10～24V；HCMOS系列為2～6V。
另外，在使用各種器件組成系統
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③
單門平均延時
單門平均延時是指門傳輸延遲時間的平均值
( http: / / www.21cnjy.com )tpd，它是衡量電路開關速度的一個動態參數，用以說明一個脈沖信號從輸入端經過一個邏輯門，再從輸出端輸出要延遲多少時間。把輸出電壓下降邊的50％對于輸入電壓上升邊的50％的時間間隔稱為導通延遲時間，即tPHL，把輸出電壓上升邊的50％對于輸入電壓下降邊的50％的時間間隔稱為關閉延遲時間，即
tPLH，平均延遲時間tpd定義為：tpd=(tPHL+tPLH)/2。
如TTL與非門，一般要求tpd=10～
( http: / / www.21cnjy.com )40ns之間，通常把tpd為40～160ns的稱為低速集成電路，15～40ns的稱為中速集成電路，6～15ns的稱為高速集成電路，tpd≤6ns的稱為甚高速集成電路。由表可見，ECL的速度最高，而PMOS的速度最低。
④
單門靜態功耗
單門靜態功耗是指單門的直流功耗，它是衡量
( http: / / www.21cnjy.com )一個電路質量好壞的重要參數。靜態功耗等于工作電源電壓及其泄漏電流的乘積，一般說靜態功耗越小，電路的質量越好，由表中可知CMOS電路靜態功耗是極微小的，因此對于一個由CMOS器件組成的工作系統來說，靜態功耗與總功耗相比常可以忽略不計。
⑤
速度·功耗積（S·P）
速度·功耗積（S·P）也叫時延·功耗積，它是
( http: / / www.21cnjy.com )衡量邏輯集成電路性能優劣的一個很重要的基本特征參數。不論何種數字集成電路，其平均延遲時間都要受到消耗功率的制約。一定形式的數字邏輯電路，其消耗功率的大小約反比于平均延時，因此，一般用每門（電路）的平均延遲時間tpd與功耗Pd的乘積來表征數字集成電路的優劣，這個乘積就是速度·功耗（S·P），即S·P=tpd·Pd。式中S·P的單位為pJ（皮焦耳），tpd的單位為ns，Pd的單位為mw。通常，S·P越小，電路性能越好。在選用電路時，S·P是一個需要考慮的重要參數。但一般不能僅僅依據S·P來選擇，還必須根據實際情況，同時兼顧速度（或功耗），抗干擾性能和價格等因素。
⑥
直流噪聲容限
直流噪聲容限又稱抗干擾度，它是度量邏
( http: / / www.21cnjy.com )輯電路在最壞工作條件下的抗干擾能力的直流電壓指標。該電壓值常用VNM表示或VNL及VNH表示。它是指邏輯電路輸入與輸出各自定義1電平和0電平的差值大小，TTL類電路只能用5V電源，輸入1電平定義為≥2V，0電平定義為≤0.8V，輸出電平定義是1電平≥2.7V，0電平≤0.4V，所以l電平的VNH=2.7V-2V=0.7V，0電平的VNL=0.8V 0.4V=0.4V。對ECL類來說，電源多用 5.2V，VNH≈ 1 ( 1.1)=0.1V，VNL≈ 1.5 ( 1.6)=0.1V。CMOS及HCMOS可以在很寬的范圍內工作，輸出電平接近電源電壓范圍，而輸入電平范圍不論1電平還是0電平，均可達到45％VCC，也就是VNM≈45％VCC，最低限度可以達到VNL≥19％VCC，VNH≥29％VCC。VCC越高則噪聲容限也越大，也即VCC高則抗干擾能力強。
⑦
扇出能力
扇出能力也就是輸出驅動能力，它是反映電
( http: / / www.21cnjy.com )路帶負載能力大小的一個重要參數，表示輸出可以驅動同類型器件的數目。如TTL標準門電路的扇出能力為10，就表示這個門電路的輸出最多可以和10個同類型的門電路的標準輸入端連接。表1中所列出的是各種數字集成電路的直流扇出能力的理論值，對于CMOS，HCMOS來說，靜態時扇出能力很大，盡管輸出電流一般僅在0.5mA以內，但因其輸入電流僅有幾納安（nA）上下，所以，直流扇出能力可達1000以上，甚至更大。但是它們的交流（動態）扇出能力就沒有這樣高，要根據工作頻率（速度）和輸入電容量（一般約5pF）來考慮決定。
在微機系統的接口電路中，常用CMOS（H
( http: / / www.21cnjy.com )CMOS）電路驅動TTL一類電路，表2給出了CMOS驅動LS-TTL和S-TTL的輸入端數目的比較，其中，4049UB因內部無輸出緩沖級（型號尾帶U的是僅一級CMOS反相器），雖對直流來說也能驅動一個S-TTL的輸入端，但由于CMOS的上升/下降延遲時間長，用于驅動S-TTL是不合適的。
表2
CMOS的驅動能力
接收端驅動源
LS-TTL
S-TTL
4000B系列
4011B
4049UB
18
01
TC40H系列CC40H系列
TC40H000TC50H000
25
01
74HC系列
74HC00
10
2
LS-TTL系列
74LS00
20
4
從表2中可以看出，74HC的驅動能
( http: / / www.21cnjy.com )力接近LS-TTL，40H系列的驅動能力較次。另外，ECL電路的直流扇出能力也是比較大的，這是由于ECL電路的輸入阻抗高，輸出阻抗低所致。但是，ECL電路的實際扇出能力還要受到交流因素的制約，一般來說主要受容性負載的影響（ECL10K系列每門輸入電容約為3pF），因為電路的交流性能與容性負載直接有關，容性負載越大，交流性能就越差。所以，在實際應用中，為了使電路獲得良好的交流性能，一般希望將門的負載數（扇出數）控制在10個以內。
按集成電路規模的大小分
根據集成電路規模的大小，數字集成電路
( http: / / www.21cnjy.com )通常分為小規模集成電路（SSI）
、中規模集成電路（MSI）
、大規模集成電路（LSI）和超大規模集成電路（VLSI）。
(1)
小規模集成電路（Small
Scale
Integration，SSI）

小規模集成電路通常指含邏輯門個數小于10
門(或含元件數小于100個)的電路。
(2)
中規模集成電路（Medium
Scale
Integration，MSI）

中規模集成電路通常指含邏輯門數為10門～99門(或含元件數100個～999個)的電路。
(3)
大規模集成電路（Large
Scale
Integration，LSI）
大規模集成電路通常指含邏輯門數為1000門～9999門(或含元件數1000個～99999個)的電路。
(4)
超大規模集成電路（Very
Large
Scale
Integration，VLSI）
超大規模集成電路通常指含邏輯門數大于10000
門(或含元件數大于100000個)的電路。
按電路的功能分
（1）門電路
與門/與非門、或門/或非門、非門等。
（2）
觸發器
鎖存器
R-S觸發器、D觸發器、J-K觸發器等
（3）
編碼器
譯碼器
二進制——十進制譯碼器、BCD—7段譯碼器等。
（4）計數器
二進制、十進制、N進制計數器等。
（5）運算電路
加/減運算電路、奇偶校驗發生器、幅值比較器等。
（6）
時基
定時電路
單穩態電路
、延時電路等。
（7）
模擬電子開關
數據選擇器
（8）
寄存器
基本寄存器、移位寄存器（單向、雙向）。
（9）
存儲器
RAM、ROM、E2PROM、Flash
ROM等。
（10）
CPU
二、
數字集成電路的命名
1.
數字集成電路型號的組成及符號的意義
數字集成電路的型號組成一般由前綴、編號
( http: / / www.21cnjy.com )、后綴三大部分組成，前綴代表制造廠商，編號包括產品系列號、器件系列號，后綴一般表示溫度等級、封裝形式等。如表0—1所示為TTL
74系列數字集成電路型號的組成及符號的意義。

（1）.
TTL
74系列數字集成電路型號的組成及符號的意義
表0—1
TTL74系列數字集成電路型號的組成及符號的意義
第1部分
第2部分
第3部分
第4部分
第5部分
前綴
產品系列
器件類型
器件功能
器件封裝形式、溫度范圍
符號
意義
符號
意義
符號
意義
符號
意義
54
軍用電路-55－+125oC

標準電路
阿拉伯數字
器件功能
W
陶瓷扁平
H
高速電路
B
塑封扁平
代表制造廠商
S
肖特基電路
F
全密封扁平
74
民用通用電路
LS
低功耗肖特基電路
D
陶瓷雙列直插
ALS
先進低功耗肖特基電路
P
塑封雙列直插
AS
先進肖特基電路


（2）.
4000系列集成電路的組成及符號意義
4000系列CMOS器件型號的組成及符號的意義見表0—2。
表0—2
4000系列CMOS器件型號的組成及符號意義
第1部分
第2部分
第3部分
第4部分
型
號
前
綴的意
義
器
件
系
列
器
件
種
類
工作溫度范圍、封裝形式
代表制造廠商
符
號
意
義
符
號
意
義
符號
意
義
CD
美國無線電公司產品
40 45
產品系列號
阿拉伯數字
器件功能
C
℃00℃~70
CC
中國制造
E
-40℃~85℃
TC
日本東芝公司產品
R
-55℃~85℃
MC1
摩托羅拉公司產品
M
-55℃~125℃

舉例說明如下：
CT
74
LS
00
P
（1）
(2)
(3)
(4)
(5)

封裝形式
P：塑料雙列直插封裝器件種類：四2輸入與非門

器件系列：低功耗肖特基74TTL電路系列

產品系列
74系列
制造廠商
CT：國產TTL電路

CT74LS00P為國產的（采用塑料雙列直插封裝）TTL
四2輸入與非門。

SN
74
S
195
J
（1）
(2)
(3)
(4)
(5)

封裝形式
J：陶瓷雙列直插封裝

器件種類：4位并行移位寄存器

器件系列：肖特基74TTL電路系列

產品系列
74系列
制造廠商
SN：美國TEXAS公司制造
SN74S195J為美國TEXAS公司制造的采用陶瓷雙列直插封裝的4位并行移位寄存器。

同一型號的集成電路原理相同，
( http: / / www.21cnjy.com )通常又冠以不同的前綴、后綴，前綴代表制造商（有部分型號省略了前綴），后綴代表器件工作溫度范圍或封裝形式，由于制造廠商繁多，加之同一型號又分為不同的等級，因此，同一功能、型號的IC其名稱的書寫形式多樣，如CMOS
雙D觸發器4013有以下型號：
CD4013AD
CD40
( http: / / www.21cnjy.com )13AE
CD4013CJ
CD4013CN
CD4013BD
CD4013BE
CD4013BF
CD4013UBD
CD4013UBE
CD4013BCJ
CD4013BCN；
HFC4013
HFC4013BE
HCF
( http: / / www.21cnjy.com )4013BF
HCC4013BD/BF/BK
HEF4013BD/BP
HBC4013AD/AE/AK/AF
SCL4013AD/AE/AC/AF
MB84013/M
MC14013CP/BCP
TC4013BP.
一般情況下，這些型號之間可以彼此互換使用。

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