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          數(shù)字電路之?dāng)?shù)字集成電路IC

          作者: 時間:2017-10-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            在上一期之如雷貫耳的“邏輯電路”》中我們了解了基本的邏輯電路,本期將講解數(shù)字IC的基礎(chǔ)和組合電路。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368897.htm

            什么是數(shù)字集成電路IC?

            數(shù)字集成電路是指集成了一個或多個門電路的半導(dǎo)體元器件。數(shù)字集成電路擁有多個種類,根據(jù)用途不同,可分為如下幾類。

            ◇微處理器(microcomputer):進(jìn)行各種處理的集成電路

            ◇存儲器:記錄數(shù)據(jù)的集成電路

            ◇標(biāo)準(zhǔn):通過集成電路的組合實現(xiàn)各類功能的邏輯電路

            ◇專用:特定用途集成電路,允許用戶設(shè)計自己專用的邏輯電路

            “標(biāo)準(zhǔn)”是將邏輯電路的基本要素和可共通使用的功能集合于一體的小規(guī)模集成電路,是構(gòu)成邏輯電路的基本要素。

            本期將著重講解“標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC”,學(xué)習(xí)數(shù)字IC的知識。

            數(shù)字IC和標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC

            “標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC”的種類約有600多種,有最單純的邏輯電路IC,也有高功能的、含有邏輯運(yùn)算的IC。

            大致可分為TLL集成電路與CMOS集成電路兩種。

            ◇ (Transistor-transistor logic) IC:電路的主要部分由雙極性晶體管構(gòu)成,工作電壓為5V。

            ◇CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) IC:電路的主要部分是由P通道和N通道的MOSFET構(gòu)成的,工作電壓范圍比較大。

            

            圖1: IC

            數(shù)字IC之間傳遞信號時,需要規(guī)定信號的“高(High)”、“低(low)”邏輯以及與其對應(yīng)的電壓。這種與邏輯對應(yīng)的電壓稱為邏輯電平。

            不同的邏輯電平,將無法傳輸信號,還有可能損壞集成電路。

            在 IC中,判斷標(biāo)準(zhǔn)如下:

            ◇輸入信號時,2.0V以上為“高(High)”,0.8V以下為“低(Low)”

            ◇輸出信號時,0.4V以下為“低(Low)”,2.4V以上“高(High)”

            TTL IC就是根據(jù)規(guī)定的TTL接口標(biāo)準(zhǔn)制作的,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輸入輸出電壓與邏輯之間的關(guān)系。因此,在TTL IC之間傳遞信號時,不需要考慮邏輯電平的問題。

            但是,CMOS IC擁有許多系列,各個系列的邏輯電平各不相同。有時還會根據(jù)電源電壓發(fā)生變化。因此,需要根據(jù)邏輯電平進(jìn)行連接。

            

            圖2:CMOS IC

            注意誤操作和扇出

            在連接“標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC”時,需要考慮一個輸出最大可連接的IC數(shù)量。

            在TTL IC中,可連接IC的數(shù)量受到輸出電流的限制,我們把允許連接的IC上限個數(shù)稱為扇出。只要想起TTL IC是由雙極性晶體管構(gòu)成的,就能容易地想象出開關(guān)切換時是需要電流的。TTL IC的扇出可以通過輸出電流除以輸入電流來求出(圖3)。需要注意的是如果連接的IC個數(shù)超過了扇出數(shù),將無法保證輸出的邏輯電平。

            

            圖3:TTL IC的扇出

            由于CMOS IC的輸入引腳中幾乎沒有電流,因此無法根據(jù)電流計算它的扇出數(shù)。需要根據(jù)負(fù)載容量計算(圖4)。

            在CMOS IC的數(shù)據(jù)表中,通過傳播延遲時間的測量方法明確記載了負(fù)載容量。如超過負(fù)載容量,傳播延遲時間將變長,可能引起誤操作,需要注意。

            

            圖4:CMOS IC的扇出

            輸出線之間連接,漏極開路

            漏極開路是指不能輸出高電平(High)的FET(如圖A右圖)。在漏極開路的電路中,不存在通常CMOS IC輸出段(如圖A左圖)中和VCC相連的MOSFET,所以,無法輸出高電平。只能輸出Low或高阻抗(輸出端和電路是斷開的,是一個無法輸出電流和電壓的狀態(tài))。

            在高阻抗的情況下,由于輸出不穩(wěn)定,因此需要通過電阻和電源相連,把輸出端固定在High電平下使用。該電阻稱為上拉電阻。

            由于上拉電阻連接的電壓不需要與電源電壓相同,因此可以連接邏輯電平不同的IC。

            

            圖A:CMOS輸出與漏極開路輸出

            組合邏輯電路

            邏輯電路中,只通過輸入信號的組合方式?jīng)Q定輸出的邏輯電路稱作“組合邏輯電路”。

            相反,內(nèi)部擁有記憶電路和同步電路,只通過輸入信號的組合無法決定輸出的邏輯電路被稱作“時序邏輯電路”。

            本期只對前者“組合邏輯電路”進(jìn)行講解。

            “組合邏輯電路”是通過組合多個AND、OR、NOT、XOR等邏輯門而構(gòu)成的??梢岳斫鉃橛枚鄠€邏輯門的排列就能實現(xiàn)多種功能的電路。

            首先讓我們來看看“組合邏輯電路”的代表元器件,多路復(fù)用器和解碼器。

            可選擇輸出信號的多路復(fù)用器

            多路復(fù)用器是可以從多個輸入信號中選擇一個輸出信號的信號切換器??梢酝ㄟ^自動售貨機(jī)來想象其工作模式。各種飲料的按鈕就是輸入信號,當(dāng)按下選擇按鈕后,從同一出貨口可以拿到各種飲料。

            如果用開關(guān)說明多路復(fù)用器的工作原理,如圖5所示。開關(guān)A包括4個縱向聯(lián)動開關(guān)。開關(guān)B也是一樣。那么,當(dāng)開關(guān)A為0,開關(guān)B也為0時,可以看到輸入0連接到輸出上,也就是輸入0的信號被輸出。同樣,當(dāng)開關(guān)A為1,開關(guān)B為0時,輸入1的信號將連接到輸出上。當(dāng)開關(guān)A為0,開關(guān)B為1時,輸出2的信號將連接到輸出上。當(dāng)開關(guān)A為1,開關(guān)B為1時,輸入3的信號將連接到輸出上。也就是說,可以通過開關(guān)A和開關(guān)B從4個輸入中選擇一個輸出。這就是實現(xiàn)信號切換的多路復(fù)用器電路。

            

            圖5:用開關(guān)構(gòu)成的多路復(fù)用器

            多路復(fù)用器用邏輯電路表示的話,就象圖6所示,只需要AND和OR就可以實現(xiàn)。AND部分進(jìn)行判斷,OR部分用于選擇一個信號輸出。

            

            圖6:用邏輯電路構(gòu)成的多路復(fù)用器

            判斷輸入的解碼器

            請看解碼器的真值表(圖8)。由該表可知, 2個輸入信號可通過4個輸出信號中的一個輸出。比如當(dāng)兩個輸入為二進(jìn)制時,讓4個輸出信號分別對應(yīng)十進(jìn)制的0、1、2、3,就可以認(rèn)為這是一個將二進(jìn)制解碼為十進(jìn)制的電路。

            

            圖7:用邏輯電路構(gòu)成的解碼器

           

            圖8:解碼器真值表

            除此之外,還有比較器、加法器(全加器/半加器)、乘法器、減法器、桶形移位器等多種“組合邏輯電路”。其中大多數(shù)都是應(yīng)用多路復(fù)用器和解碼器制作而成的。但是,如果只是應(yīng)用而不做改善的話,將出現(xiàn)電路冗長等問題,所以,需要簡化并壓縮電路。



          關(guān)鍵詞: 數(shù)字電路 邏輯IC COMS TTL

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