集成电路

集成电路（IC）使用硅材料制造，并安装在陶瓷或塑料容器（称为芯片）中。 IC 的基本组件由数字门的电子电路组成。 各种门在 IC 内部互连以形成所需的电路。

以下类别可以大致分类集成电路 (IC)

SSI（小规模集成器件）

这些类型的设备在单个封装中包含几个独立的门。 这些门的输入和输出直接连接到封装中的引脚。 逻辑门的数量通常少于 10 个，并且受到 IC 中可用引脚数量的限制。

MSI（中规模集成器件）

这些类型的设备在单个封装中具有大约 10 到 200 个门的复杂度。 基本组件包括解码器、加法器和寄存器。

LSI（大规模集成器件）

LSI 设备在单个封装中包含大约 200 到几千个门。 LSI 设备的基本组件包括数字系统，例如处理器、存储芯片和可编程模块。

VLSI（超大规模集成器件）

这种类型的设备在单个封装中包含数千个门。 VLSI 设备最常见的例子是复杂的微型计算机芯片。

数字集成电路也按其所属的特定电路技术进行分类。 电路技术通常称为数字逻辑系列。 每种技术都有其自己的基本电子电路和执行的功能。

每种技术中最常见的组件是 NAND、NOR 或反相器门。

数字逻辑系列中最受欢迎的包括

1. TTL（晶体管-晶体管逻辑）
2. ECL（发射极耦合逻辑）
3. MOS（金属氧化物半导体）
4. CMOS（互补金属氧化物半导体）

TTL（晶体管-晶体管逻辑）

TTL 技术是先前技术 DTL（二极管-晶体管逻辑）的升级版本。 DTL 技术过去使用二极管和晶体管作为基本的 NAND 门。 当这些二极管被晶体管取代以改善电路操作时，TTL 就出现了。

TTL 有几种变体，如高速 TTL、低功耗 TTL、肖特基 TTL、低功耗肖特基 TTL 和高级肖特基 TTL。

以下电路图显示了标准 TTL 电路及其配置。

TTL 系列的特点

• TTL 电路的整体电源电压为 5 伏，两个逻辑电平大约为 0 和 3.5 伏。
• 一个 TTL 电路最多可以在其输出端支持 10 个门。
• TTL 电路的平均传播延迟约为 9ns。

TTL 应用

• TTL 用作驱动灯和继电器的开关设备。
• TTL 用于控制器应用，提供 0 到 5Vs 的电压。
• TTL 系列主要用于小型计算机（如 DEC VAX）的处理器中。
• 它也用于打印机和视频显示终端中。

ECL（发射极耦合逻辑）

ECL 技术以集成形式提供最高速的数字电路。 ECL 电路用于超级计算机和信号处理器，在这些应用中高速至关重要。

ECL 门中的晶体管在非饱和状态下工作，这种状态允许实现 1 到 2 纳秒的传播延迟。

ECL 系列的特点

• 即使在非活动状态下，逻辑门也会持续消耗电流。 因此，与其他逻辑系列相比，功耗更高。
• ECL 使用双极晶体管逻辑，其中晶体管不在饱和区域工作。
• ECL 门的平均传播延迟约为 0.5 到 2ns。

MOS（金属氧化物半导体）

MOS（金属氧化物半导体）是单极晶体管，它依赖于仅一种类型的载流子的流动，该载流子可以是电子（n 沟道）或空穴（p 沟道）。

MOS 技术通常分为两种基本形式

1. p 沟道 MOS 称为 PMOS。
2. n 沟道 MOS 称为 NMOS。

PMOS

PMOS 逻辑系列执行的操作可以通过考虑 PMOS NAND 门来解释。

以下电路图显示了一个两输入 PMOS NAND 门。

当将低逻辑应用于 A 或 B 时，晶体管被激活。 这会在电源和输出端之间建立连接。

当应用低逻辑时，输出被提升到逻辑高值。 否则，在其他情况下它将保持在逻辑低电平。

下拉电阻“R”保持低逻辑，除非将低逻辑应用于 A 或 B。

NMOS

NMOS 逻辑的结构与 PMOS 的结构相似。 但是，这里我们将使用 NMOS 晶体管以及上拉电阻 R，而不是使用 PMOS 晶体管。

以下电路图显示了一个两输入 NMOS NAND 门。

如图所示，NMOS NAND 门有两个 NMOS 晶体管串联连接，从输出端到接地端。

上拉电阻从输出端连接到电源。

当将高逻辑应用于两个输入时，两个晶体管都被激活。 这会在输出端和地之间建立连接。

如果其中一个输入处于逻辑高电平，而另一个输入处于逻辑低电平，则晶体管将被停用。 这终止了输出端和地之间的路径。

CMOS（互补金属氧化物半导体）

互补 MOS 或 CMOS 技术在所有电路中以互补的方式使用连接的 PMOS 和 NMOS 晶体管。

由于其高噪声抗扰度和低功耗，CMOS 逻辑系列在大规模集成电路中备受青睐。

以下电路图显示了一个标准 CMOS 电路及其配置。

Q1 和 Q2 是以互补方式连接的相应 NMOS 和 PMOS 晶体管。