数字集成电路的分类
数字集成电路的分类
数字集成电路有多种分类方法，以下是几种常用的分类方法。
1.按结构工艺分
按结构工艺分类，数字集成电路可以分为厚膜集成电路、薄膜集成电路、混合集成电路、半导体集成电路四大类。图如下所示。
世界上生产最多、使用最多的为半导体集成电路。半导体数字集成电路（以下简称数字集成电路）主要分为TTL、CMOS、ECL三大类。
ECL、TTL为双极型集成电路，构成的基本元器件为双极型半导体器件，其主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。双极型集成电路主要有 TTL(Transistor-Transistor Logic)电路、ECL(Emitter Coupled Logic)电路和I２L(Integrated Injection Logic)电路等类型。其中TTL电路的性能价格比最佳，故应用最广泛。
ECL，即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。在所有数字电路中，它工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。这种门电路输出阻抗低，负载能力强。它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗大。
MOS电路为单极型集成电路，又称为MOS集成电路，它采用金属－氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造，其主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。 MOS集成电路又分为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，复合互补金属氧化物半导体)等类型。
MOS电路中应用最广泛的为CMOS电路，CMOS数字电路中，应用最广泛的为4000、4500系列，它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能也很好，它与TTL电路一起成为数字集成电路中两大主流产品。CMOS数字集成电路电路主要分为4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，实际上这三大系列之间的引脚功能、排列顺序是相同的，只是某些参数不同而已。例如，74HC4017与CD4017为功能相同、引脚排列相同的电路，前者的工作速度高，工作电源电压低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅栅工艺和双缓冲输出结构。
Bi-CMOS是双极型CMOS（Bipolar-CMOS）电路的简称，这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOS结构，输出级采用双极型三极管，因此兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点。
（1）TTL类型
这类集成电路是以双极型晶体管（即通常所说的晶体管）为开关元件，输入级采用多发射极晶体管形式，开关放大电路也都是由晶体管构成，所以称为晶体管-晶体管-逻辑，即Transistor-Transistor-Logic，缩写为TTL。TTL电路在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。它的品种丰富、互换性强，一般均以74（民用）或54（军用）为型号前缀。
① 74LS系列（简称LS，LSTTL等）。这是现代TTL类型的主要应用产品系列，也是逻辑集成电路的重要产品之一。其主要特点是功耗低、品种多、价格便宜。
② 74S系列（简称S，STTL等）。这是TTL的高速型，也是目前应用较多的产品之一。其特点是速度较高，但功耗比LSTTL大得多。
③ 74ALS系列（简称ALS，ALSTTL等）。这是LSTTL的先进产品，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，所以成为LS系列的更新换代产品。
④ 74AS系列（简称AS，ALSTTL等）。这是S TTL（抗饱和TTL）的先进型，速度比STTL 提高近一倍，功耗比STTL降低一倍以上，与ALSTTL系列合并起来成为TTL类型的新的主要标准产品。
⑤ 74F系列（简称F，FTTL或FAST等）。这是美国（仙童）公司开发的相似于ALS、AS 的高速类TTL产品，性能介于ALS和AS之间，已成为TTL的主流产品之一。
（2）ECL类型
ECL（Emitter Coupled Logic的缩写）门是双极型逻辑门的一种非饱和型的门电路，它的电路构成和差分放大器外形相似，但工作在开关状态，即截止与放大两种工作状态。它是非饱和的发射极耦合形式的电源开关，故称为发射极耦合逻辑（ECL）。由于它工作在非饱和状态，其突出优点是开关速度非常高，在逻辑上具有灵活性，所以ECL门是高速逻辑门电路中的主要类型。同时，这类电路还具有逻辑功能强、扇出能力高、噪声低和引线串扰小等优点。因此，广泛应用于高速大型计算机、数字通信系统、高精度测试设备等方面。此类电路的缺点是功耗大，此外，由于电源电压和逻辑电平特殊，使用上难度略高。通用的ECL 集成电路系列主要有ECL10K系列和ECL100K系列等。
① ECL10K系列是门电路传输延迟时间为20ns、功耗为25mw的逻辑电路系列，属于ECL 中的低功耗系列，是目前应用很广泛的一种ECL集成电路系列。
② ECL100K系列，最初由美国FSC（仙童公司）生产，是现代数字集成电路系列中性能最优越的系列，其最大特点是速度高。同时还具有逻辑功能强、集成度高和功耗低等特点。因此，它已广泛应用于大型高速电子计算机和超高速脉码调制器等领域中。
（3）CMOS类型
CMOS类型集成电路是互补金属氧化物半导体数字集成电路的简称，这里C表示互补的意思，这是由P沟道MOS晶体管和N沟道MOS晶体管组合而成的。CMOS电路首先由美国无线电公司（RCA）实验室研制成功的。由于电路具有微功耗、集成度高、噪声容限和宽工作电压范围等许多突出的优点，所以发展速度很快，应用领域不断扩大，现在几乎渗透到所有
的相关领域。尤其是随着大规模和超大规模集成电路的工作速度和密度不断提高、过大的功耗已成为设计上的一个难题。这样，具有微功耗特点的CMOS电路已成为现代集成电路中重要的一类，并且越来越显示出它的优越性。
CMOS电路的产品主要有：4000B（包括4500B），40H，74HC系列。
① 4000B系列。这是国际上流行的CMOS通用标准系列，例如，美国无线电公司（RCA）的CD4000B，摩托罗拉（MOTA）的4500B和MC4000系列，国家半导体（NS）公司的MM74C000系列和CD4000系列，德克萨斯公司（TI）的TP4000系列，仙童（FS）公司的F4000系列，日本东芝公司的TC4000系列，日立公司的HD14000系列。国内采用CC4000标准，这个标准与CD4000B系列完全一致，从而使国产CMOS电路与国际上的CMOS电路兼容。
4000B系列的主要特点是速度低、功耗最小、并且价格低、品种多。
② 40H系列。这是日本东芝公司初创的较高速铝栅CMOS，以后由夏普公司生产，分别用TC40H-，LR40H-为型号，我国生产的定为CC40系列。40H系列的速度和N-TTL相当，但不及LS-TTL。此系列品种不太多，其优点是引脚与TTL类的同序号产品兼容，功耗、价格比较适中。
③ 74HC系列（简称HS或H-CMOS等）。这一系列首先由美国NS，MOTA公司生产，随后，许多厂家相继成为第二生产源，品种丰富，且引脚和TTL兼容。此系列的突出优点是功耗低、速度高。
国内外74HC系列产品各对应品种的功能和引脚排列相同，性能指标相似，一般都可方便地直接互换及混用。国内产品的型号前缀一般用国标代号CC，即CC74HC。
（4）各类数字集成电路的性能
为了系统地掌握各类数字集成电路的主要性能，便于实际应用时选择合适的器件，现将各类数字电路的主要性能和特点进行比较，如表1所示。
表1 各类数字电路的性能
下面对表1中所列的主要性能作一说明。
①表1所列出的各种技术数据
各种技术数据均为一般产品的平均数据，与各公司生产的各品种的集成电路实际情况有可能不完全相同。因而具体选用时，还需查更详细的资料。
②电源电压
TTL类型的标准工作电压都是+5V，其他逻辑器件的工作电压一般都有较宽的允许范围。特别是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系列为2～6V。
另外，在使用各种器件组成系统时，要注意各种相互连接的器件必须使用同一电源电压，否则，就可能不满足0，1（或L、H）电平的定义范围，而造成工作异常。
③单门平均延时
单门平均延时是指门传输延迟时间的平均值t pd，它是衡量电路开关速度的一个动态参数，用以说明一个脉冲信号从输入端经过一个逻辑门，再从输出端输出要延迟多少时间。把输出电压下降边的50％对于输入电压上升边的50％的时间间隔称为导通延迟时间，即t PHL，把输出电压上升边的50％对于输入电压下降边的50％的时间间隔称为关闭延迟时间，即t PLH，平均延迟时间t pd定义为：t pd=(t PHL+t PLH)/2。
如TTL与非门，一般要求t pd=10～40ns之间，通常把t pd为40～160ns的称为低速集成电路，15～40ns的称为中速集成电路，6～15ns的称为高速集成电路，t pd≤6ns的称为甚高速集成电路。由表可见，ECL的速度最高，而PMOS的速度最低。
④单门静态功耗
单门静态功耗是指单门的直流功耗，它是衡量一个电路质量好坏的重要参数。静态功耗等于工作电源电压及其泄漏电流的乘积，一般说静态功耗越小，电路的质量越好，由表中可知CMOS电路静态功耗是极微小的，因此对于一个由CMOS器件组成的工作系统来说，静态功耗与总功耗相比常可以忽略不计。
⑤速度·功耗积（S·P）
速度·功耗积（S·P）也叫时延·功耗积，它是衡量逻辑集成电路性能优劣的一个很重要的基本特征参数。不论何种数字集成电路，其平均延迟时间都要受到消耗功率的制约。一
定形式的数字逻辑电路，其消耗功率的大小约反比于平均延时，因此，一般用每门（电路）的平均延迟时间
t pd与功耗P d的乘积来表征数字集成电路的优劣，这个乘积就是速度·功耗（S·P），即S·P=t pd·P d。式中S·P的单位为pJ（皮焦耳），t pd的单位为ns，P d的单位为mw。通常，S·P 越小，电路性能越好。在选用电路时，S·P是一个需要考虑的重要参数。但一般不能仅仅依据S·P来选择，还必须根据实际情况，同时兼顾速度（或功耗），抗干扰性能和价格等因素。
⑥直流噪声容限
直流噪声容限又称抗干扰度，它是度量逻辑电路在最坏工作条件下的抗干扰能力的直流电压指标。该电压值常用V NM表示或V NL及V NH表示。它是指逻辑电路输入与输出各自定义1电平和0电平的差值大小，TTL类电路只能用5V电源，输入1电平定义为≥2V，0电平定义为≤0.8V，输出电平定义是1电平≥2.7V，0电平≤0.4V，所以l电平的V NH=2.7V-2V=0.7V，0电平的V NL=0.8V?0.4V=0.4V。对ECL类来说，电源多用?5.2V，V NH≈?1?(?1.1)=0.1V，V NL≈?1.5?(?1.6)=0.1V。CMOS及HCMOS可以在很宽的范围内工作，输出电平接近电源电压范围，而输入电平范围不论1电平还是0电平，均可达到45％V CC，也就是V NM≈45％V CC，最低限度可以达到V NL≥19％V CC，V NH≥29％V CC。V CC越高则噪声容限也越大，也即V CC高则抗干扰能力强。
⑦扇出能力
扇出能力也就是输出驱动能力，它是反映电路带负载能力大小的一个重要参数，表示输出可以驱动同类型器件的数目。如TTL标准门电路的扇出能力为10，就表示这个门电路的输出最多可以和10个同类型的门电路的标准输入端连接。表1中所列出的是各种数字集成电路的直流扇出能力的理论值，对于CMOS，HCMOS来说，静态时扇出能力很大，尽管输出电流一般仅在0.5mA以内，但因其输入电流仅有几纳安（nA）上下，所以，直流扇出能力可达1000以上，甚至更大。但是它们的交流（动态）扇出能力就没有这样高，要根据工作频率（速度）和输入电容量（一般约5pF）来考虑决定。
在微机系统的接口电路中，常用CMOS（HCMOS）电路驱动TTL一类电路，表2给出了CMOS 驱动LS-TTL和S-TTL的输入端数目的比较，其中，4049UB因内部无输出缓冲级（型号尾带U的是仅一级CMOS反相器），虽对直流来说也能驱动一个S-TTL的输入端，但由于CMOS的上升/下降延迟时间长，用于驱动S-TTL是不合适的。
表2 CMOS的驱动能力
从表2中可以看出，74HC的驱动能力接近LS-TTL，40H系列的驱动能力较次。另外，ECL电路的直流扇出能力也是比较大的，这是由于ECL电路的输入阻抗高，输出阻抗低所致。但是，ECL电路的实际扇出能力还要受到交流因素的制约，一般来说主要受容性负载的影响（ECL10K系列每门输入电容约为3pF），因为电路的交流性能与容性负载直接有关，容性负载越大，交流性能就越差。所以，在实际应用中，为了使电路获得良好的交流性能，一般希望将门的负载数（扇出数）控制在10个以内。
2.按集成电路规模的大小分
根据集成电路规模的大小，数字集成电路通常分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。
(1) 小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）
小规模集成电路通常指含逻辑门个数小于10 门(或含元件数小于100个)的电路。
(2) 中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI）
中规模集成电路通常指含逻辑门数为10门～99门(或含元件数100个～999个)的电路。
(3) 大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）
大规模集成电路通常指含逻辑门数为1000门～9999门(或含元件数1000个～99999个)的电路。
(4) 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）
超大规模集成电路通常指含逻辑门数大于10000 门(或含元件数大于100000个)的电路。
3.按电路的功能分