数字集成电路

数字集成电路专题研究

摘要：现在的电路可以分为两个方向，一个是数字，还有一个是模拟，在此更加偏重对数字方面的研究！全文一共可以分为两部分，一部分是基本的数字电路，还有一部分为较大型的集成电路。前一部分（基本数字电路）从认识数字电路开始，其间涉及到数字电路的分析方法---函数分析方法；在数字电路中分TTL 和COMS两种电路，在此报告中提到了这两种电路的电平比较关系。因COMS电路功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等优点，所以着重介绍一下CMOS 电路的常用特性，以及由它构成的一些常见的数字电路！而在后半部方介绍的是集成电路，从集成电路的分类到如何做好集成电路的设计;集成电路的设计分为前端和后端设计前端是指逻辑部分，后端是指物理层的设计．前端是设计内部的逻辑．后端是指假设逻辑设计已经完成，如何做出最后的芯片，涉及到芯片内部如何分区，如何布线，模拟部分，寄生效应等等．而由于专业方向这里又着重去讨论前端设计：系统集成芯片（SoC）的IC设计。同时收集了一些集成电路的设计工具。

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见的数字电路集成电路分类 IC前端设计工具系统集成芯片SOC IC设计软件 VHDL/ Veriolg HDL 正文：

一．数字电路简介：

在电子设备中，通常把电路分为模拟电路和数字电路两类，前者涉及模拟信号，即连续变化的物理量，例如在24小时内某室内温度的变化量；后者涉及数字信号，即断续变化的物理量，开关K 快速通、断时，在电阻R 上就产生一连串的脉冲（电压），这就是数字信号。人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路工作时通常只有两种状态：高电位（又称高电平）或低电位（又称低电平）。通常把高电位用代码“1 ”表示，称为逻辑“1 ”；低电位用代码“0 ”表示，称为逻辑“0 ”（按正逻辑定义的）。注意：有关产品手册中常用“H ”代表“1 ”、“L ”代表“0 ”。实际的数字电路中，到底要求多高或多低的电位才能表示“1 ”或“0 ”，这要由具体的数字电路来定。例如一些TTL 数字电路的输出电压等于或小于0.2V，均可认为是逻辑“0 ”，等于或者大于3V，均可认为是逻辑“1 ”（即电路技术指标）。CMOS数字电路的逻辑“0 ”或“1 ”的电位值是与工作电压有关的。讨论数字电路

问题时，也常用代码“0 ”和“1 ”表示某些器件工作时的两种状态，例如开关断开代表“0 ”状态、接通代表“1 ”状态。 2.三种基本逻辑电路数字电路中的基本电路是与门、或门和非门（反相器）。与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端。因输入和输出可以各自为“0 ”或“1 ”状态，具有判定的功能，所以把它们称为基本逻辑电路。

二．数字电路分析的逻辑函数的表示方法：

在逻辑电路的设计时，常用四种方法表示逻辑电路的函数关系（指输入输出关系），即逻辑图、真值表、函数表达式和卡诺图。实际应用中逻辑图和真值表是最常用的，应必须掌握的；函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用。

1、逻辑函数

从上面讲过的各种逻辑关系中可以看到，如果以逻辑变量作为输入，以运算结果作为输出，输出与输入之间是一种函数关系。这种函数关系称为逻辑函数，写作

Y=F（A，B，C，…）

任何一件具体的因果关系都可以用一个逻辑函数描

述，由于变量和输出（函数）的取值只有0和1两种状态，所以我们所讨论的都是二值逻辑函数。

2、真值表：

将输入变量所有的取值下对应的输出值找出来，列成表格，即可得到真值表。从真值表写出逻辑函数式的一般方法，这就是

①找出真值表中使逻辑函数Y=1的那些输入变量取值的组合。

②每组输入变量取值的组合对应一个乘积项，其中取值为1的写入原变量，取值为0的写入反变量。

③将这些乘积项相加，即得Y的逻辑表达式。

比如，在举重比赛中，通常设三名裁判：一名为主裁，另两名为副裁。竞赛规则规定运动员每次试举必须获得主裁及至少一名副裁的认可，方算成功。裁判员的态度只能同意和不同意两种；运动员的试举也只有成功与失败两种情况。举重问题可用逻辑代数加以描述：

用A、B、C三个逻辑变量表示主副三裁判：取值1表示同意（成功），取值0表示不同意（失败—）。

举重运动员用L表示，取值1表示成功，0表示失败。显然，L由A、B、C决

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 1

该表称为逻辑函数L的真值表。

真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值所对应的函数值，不能有遗漏。（二个变量有22=4，三个逻辑变量有23＝8，四个变量有24＝16种可能的取值……）

从真值表可看出L取值为1只有三项，A、B、C的取值分别为101、110、和111三种情况L才等于1。、、三项与上述三种取值对应。

3、逻辑图

逻辑图是一种描述电路原理得方式，任何一个逻辑函数，无论多么复杂，都可以用相应的逻辑图表示。构成逻辑图的方法是将逻辑函数分解成若干基本逻辑门，根据逻辑函数关系连接而成。

将逻辑表达式中的与项用与门代替，或项用或门代替，即可画出与上述函数形式对应的逻辑图如图

图5

三．数字电路按电路所用器件分类，可以分为：双极型（如DTL、TTL、ECL、IIL、HTL）和单极型（如NMOS、PMOS、COMS）电路，下面总结一下TTL和CMOS

电平关系：

1）.TTL电平：

输出高电平〉2.4V 输出低电平〈0.4V

在室温下，一般输出高电平是3.5V 输出低电平是0.2V。

最小输入高电平和低电平

输入高电平〉=2.0V 输入低电平《=0.8V

它的噪声容限是0.4V.

2）.CMOS电平：

1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽

的噪声容限。

3）.电平转换电路：

因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5v《＝＝》cmos 3．3v），

所以互相连接时需要电平的转换，就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的

东西。OC门，即集电极开路门电路，它必须外界上拉电阻和电源才能将开关电

平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱

动门电路。

4）.TTL和COMS电路比较：

1、TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。

2、TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25--50ns),但功耗低。

COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集

越热，这是正常现象。

5）.COMS电路的锁定效应：

COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，

电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电

流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

6）.防御措施：

(1)、在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定

电压。

(2)、芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

(3)、在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

（4）、当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先

开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信

号和负载的电源，再关闭COMS电路的电源。

7）、COMS电路的使用注意事项

(1)、COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的

捕捉能力很弱

(2)、输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限

流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。

(3)、当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。

(4)、当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻

值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。

(5)、COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。

8）.TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：

1、悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。

2、在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。

9）.TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。

开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。

OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。

10）.什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？

TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA

四、集成数字电路分TTL和CMOS两种类型，这里以介绍CMOS集成数字电路为主，因它功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等，CMOS集成电路的常用特性：

1、工作电源电压

常用的CMOS集成电路工作电压范围为3 ～18V （也有7 ～15V 的，如国产的C000系列），因此使用该种器件时，电源电压灵活方便，甚至未加稳压的电源也可使用。

2、输入阻抗高

CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路，在正常工作范围内，保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流。通常情况下，等效输入电阻大于108 Ω，因此驱动CMOS集成电路时，所消耗的驱动功率几乎可以不计。

3、输出电流

CMOS集成电路的输出电流（指内部各独立功能的输出端）一般是10mA，所以使用时应加推动级输出，但输出端若连接CMOS电路时（即扇出能力），因CMOS 电路的输入阻抗高，对于低频工作时，一个输出端可以带动50个以上输入端，实际上几乎不需考虑扇出功能的限制。