1.3 数字集成电路简介

1.3.1 概述

当今，数字电路几乎已完全集成化了。因此，充分掌握和正确使用数字集成电路，以构成数字逻辑系统，就成为数字电子技术的核心内容之一。

集成电路按集成度可分为小规模、中规模、大规模和超大规模。小规模集成电路（SSI）是在一块硅片上制成约 1～10 个门，通常为逻辑单元电路，如逻辑门、触发器等。中规模集成电路（MSI）的集成度约为10～100门/片，通常是逻辑功能电路，如译码器、数据选择器、计数器、寄存器等。大规模集成电路（LSI）的集成度约为 100 门/片以上，超大规模集成电路（VLSI）约为1000门/片以上，通常是一个小的数字逻辑系统。现已制成规模更大的超大规模集成电路。

数字集成电路还可分为双极型电路和单极型电路两种。双极型电路中有代表性的是TTL电路，单极型电路中有代表性的是CMOS电路。国产TTL集成电路的标准系列为CT54/74系列或CT0000系列，其功能和外引线排列与国际54/74系列相同。国产CMOS集成电路主要为CC（CH）4000系列，其功能和外引线排列与国际 CD4000系列相对应。高速 CMOS系列中，74HC和74HCT系列与TTL74系列相对应，74HC4000系列与CC4000系列相对应。

本书将部分数字集成电路的逻辑表达式、外引线排列图列于第8章。逻辑表达式或功能表描述了集成电路的功能及输出与输入之间的逻辑关系。为了正确使用集成电路，应该对它们进行认真研究，深入理解，充分掌握。另外，还应对使能端的功能和连接方法予以充分的注意。

必须正确了解集成电路参数的意义和数值，并按规定使用。特别是必须严格遵守极限参数的限定，因为即使瞬间超出，也会使器件损坏。

1.3.2 TTL器件的特点和工作条件

TTL器件的特点如下：

（1）输入端一般有钳位二极管，减少了反射干扰的影响；

（2）输出电阻低，增强了带容性负载的能力；

（3）有较大的噪声容限；

（4）采用+5V的电源供电。

为了正常发挥器件的功能，应使器件在推荐的条件下工作，对CT0000系列（74LS系列）器件，主要有：

（1）电源电压在4.75～5.25V的范围内；

（2）环境温度在0～70℃之间；

（3）高电平输入电压VIH>2V，低电平输入电压VSL<0.8V；

（4）输出电流应小于最大推荐值（查手册）；

（5）工作频率不能高，一般的门和触发器的最高工作频率约30MHz。

1.3.3 TTL器件使用须知

（1）电源电压应严格保持在5V±10%的范围内，过高易损坏器件，过低则不能正常工作。实验中一般采用稳定性好、内阻小的直流稳压电源。使用时，应特别注意电源与地线不能错接，否则会因电流过大而造成器件损坏。

（2）多余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）的逻辑功能，但悬空时易受干扰。为此，与门、与非门多余输入端可直接接到VCC上，或通过一个公用电阻（几千欧）连到VCC上。若前级驱动能力强，则可将多余输入端与使用端并接；不用的或门、或非门输入端直接接地，与或非门不用的与门输入端至少有一个要直接接地；带有扩展端的门电路，其扩展端不允许直接接电源。

（3）输出端不允许直接接电源或接地，但可以通过电阻与电源相连；不允许直接并联使用（集电极开路门和三态门除外）。

（4）应考虑电路的负载能力（即扇出系数），要留有余地，以免影响电路的正常工作。扇出系数可通过查阅器件手册或计算获得。

（5）在高频工作时，应通过缩短引线、屏蔽干扰源等措施，抑制电流的尖峰干扰。

1.3.4 CMOS数字集成电路的特点

（1）静态功耗低：电源电压VDD=5 V的中规模电路的静态功耗小于100 μW，从而有利于提高集成度和封装密度，降低成本，减小电源功耗。

（2）电源电压范围宽：4000系列CMOS电路的电源电压范围为3～18 V，从而使选择电源的余地大，电源设计要求低。

（3）输入阻抗高：正常工作的CMOS集成电路，其输入端保护二极管处于反偏状态，直流输入阻抗可大于100 MΩ；在工作频率较高时，应考虑输入电容的影响。

（4）扇出能力强：在低频工作时，一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件的输入端，这主要因为CMOS器件的输入电阻高的缘故。

（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的45%，而且高电平和低电平的噪声容限值基本相等。

（6）逻辑摆幅大：空载时，输出高电平VOH＞VDD-0.05 V，输出低电平VOL＜VSS+0.05 V。

CMOS集成电路还有较好的温度稳定性和较强的抗辐射能力。其不足之处是，一般CMOS器件的工作速度比TTL集成电路低，功耗随工作频率的升高而显著增大。

CMOS器件的输入端和VSS之间接有保护二极管，除了电平变换器等一些接口电路外，输入端和正电源VDD之间也接有保护二极管。因此，在正常运转和焊接CMOS器件时，一般不会因感应电荷而损坏器件。但是，在使用CMOS数字集成电路时，输入信号的低电平不能低于VSS-0.5 V，除某些接口电路外，输入信号的高电平不得高于VDD+0.5 V，否则可能引起保护二极管导通，甚至可能使输入级损坏。

1.3.5 CMOS器件使用须知

（1）电源连接和选择：VDD端接电源正极，VSS端接电源负极（地）。绝对不许接错，否则器件会因电流过大而损坏。对于电源电压范围为3～18 V的系列器件，如CC4000系列，实验中VDD通常接+5 V电源。VDD电压通常选电源变化范围的中间值，例如，电源电压在8～12 V之间变化，则选择VDD=10 V较恰当。

CMOS器件在不同的VDD值下工作时，其输出阻抗、工作速度和功耗等参数都有所变化，设计时要考虑。

（2）输入端处理：多余输入端不能悬空。应按逻辑要求接VDD或接VSS，以免受干扰造成逻辑混乱，甚至还会损坏器件。对于工作速度要求不高，而要求增加带负载能力时，可把输入端并联使用。

对于安装在印制电路板上的CMOS器件，为了避免输入端悬空，在电路板的输入端应接入限流电阻RP和保护电阻R，当VDD=+5 V时，RP取5.1 kΩ，R一般取100 kΩ～1 MΩ。

（3）输出端处理：输出端不允许直接接VDD或VSS，否则将导致器件损坏，除三态（TS）器件外，不允许两个不同芯片输出端并联使用，但有时为了增加驱动能力，同一芯片上的输出端可以并联。

（4）对输入信号VI的要求：VI的高电平VIH＜VDD，VI的低电平VIL小于电路系统允许的低电压；当器件VDD端未接通电源时，不允许信号输入，否则将使输入端保护电路中的二极管损坏。

1.3.6 数字IC器件的封装

数字IC器件有多种封装形式。为了教学实验方便，实验中所用的74系列器件封装选用双列直插式。图l.2是双列直插封装的正面示意图。

双列直插封装有以下特点：

（1）从正面（上面）看，器件一端有一个半圆的缺口，这是正方向的标志。缺口左边的引脚号为l，引脚号按逆时针方向增加。图1.2中的数字表示引脚号。双列直插封装IC引脚数有14,16,20,24,28等若干种。

（2）双列直插器件有两列引脚，引脚之间的间距是2.54 mm。两列引脚之间的距离有宽（15.24 mm）、窄（7.62 mm）两种。两列引脚之间的距离能够稍微改变，引脚间距不能改变。将器件插入实验台上的插座或者从插座中拔出时要小心，不要将器件引脚弄弯或折断。

（3）74 系列器件一般左下角的最后一个引脚是GND，右上角的引脚是VCC。例如，14引脚器件引脚7是GND，引脚14是VCC；20引脚器件引脚10是GND，引脚20是VCC。但也有一些例外，例如，16引脚的双JK触发器74LS76，其引脚13（不是引脚8）是GND，引脚5（不是引脚16）是VCC。所以，使用集成电路器件时要先看清它的引脚图，找对电源和地，避免因接线错误而造成器件损坏。

1.3.7 数字电路逻辑状态

数字电路是一种开关电路，开关的两种状态“开通”与“关断”常用二元常量0和1来表示。在数字逻辑电路中，区分逻辑电路状态1和0信号的电平一般有两种规定，即正逻辑和负逻辑。正逻辑规定，高电平表示逻辑1，低电平则表示逻辑0；负逻辑规定，低电平表示逻辑1，高电平则表示逻辑0。工程中多数采用正逻辑描述。对于TTL电路正逻辑1电平在2.4～3.6V之间，逻辑0电平在0.2～0.4V之间。