數字電路之數字集成電路IC

　　在上一期《數字電路之如雷貫耳的“邏輯電路”》中我們了解了基本的邏輯電路，本期將講解數字IC的基礎和組合電路。

　　什么是數字集成電路IC？

　　數字集成電路是指集成了一個(gè)或多個(gè)門(mén)電路的半導體元器件。數字集成電路擁有多個(gè)種類(lèi)，根據用途不同，可分為如下幾類(lèi)。

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

　　◇存儲器：記錄數據的集成電路

　　◇標準邏輯IC：通過(guò)集成電路的組合實(shí)現各類(lèi)功能的邏輯電路

　　◇專(zhuān)用邏輯IC：特定用途集成電路，允許用戶(hù)設計自己專(zhuān)用的邏輯電路

　　“標準邏輯IC”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模集成電路，是構成邏輯電路的基本要素。

　　本期將著(zhù)重講解“標準邏輯IC”，學(xué)習數字IC的知識。

　　數字IC和標準邏輯IC

　　“標準邏輯IC”的種類(lèi)約有600多種，有最單純的邏輯電路IC，也有高功能的、含有邏輯運算的IC。

　　大致可分為T(mén)LL集成電路與CMOS集成電路兩種。

　　◇TTL （Transistor-transistor logic） IC：電路的主要部分由雙極性晶體管構成，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構成的，工作電壓范圍比較大。

　　圖1：TTL IC

　　數字IC之間傳遞信號時(shí)，需要規定信號的“高（High）”、“低（low）”邏輯以及與其對應的電壓。這種與邏輯對應的電壓稱(chēng)為邏輯電平。

　　不同的邏輯電平，將無(wú)法傳輸信號，還有可能損壞集成電路。

　　在TTL IC中，判斷標準如下：

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

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

　　TTL IC就是根據規定的TTL接口標準制作的，該標準規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(shí)，不需要考慮邏輯電平的問(wèn)題。

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

　　圖2：CMOS IC

　　注意誤操作和扇出

　　在連接“標準邏輯IC”時(shí)，需要考慮一個(gè)輸出最大可連接的IC數量。

　　在TTL IC中，可連接IC的數量受到輸出電流的限制，我們把允許連接的IC上限個(gè)數稱(chēng)為扇出。只要想起TTL IC是由雙極性晶體管構成的，就能容易地想象出開(kāi)關(guān)切換時(shí)是需要電流的。TTL IC的扇出可以通過(guò)輸出電流除以輸入電流來(lái)求出（圖3）。需要注意的是如果連接的IC個(gè)數超過(guò)了扇出數，將無(wú)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(méi)有電流，因此無(wú)法根據電流計算它的扇出數。需要根據負載容量計算（圖4）。

　　在CMOS IC的數據表中，通過(guò)傳播延遲時(shí)間的測量方法明確記載了負載容量。如超過(guò)負載容量，傳播延遲時(shí)間將變長(cháng)，可能引起誤操作，需要注意。

　　圖4：CMOS IC的扇出

　　輸出線(xiàn)之間連接，漏極開(kāi)路

　　漏極開(kāi)路是指不能輸出高電平（High）的FET（如圖A右圖）。在漏極開(kāi)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(wú)法輸出高電平。只能輸出Low或高阻抗（輸出端和電路是斷開(kāi)的，是一個(gè)無(wú)法輸出電流和電壓的狀態(tài)）。

　　在高阻抗的情況下，由于輸出不穩定，因此需要通過(guò)電阻和電源相連，把輸出端固定在High電平下使用。該電阻稱(chēng)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(kāi)路輸出

　　組合邏輯電路

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

　　相反，內部擁有記憶電路和同步電路，只通過(guò)輸入信號的組合無(wú)法決定輸出的邏輯電路被稱(chēng)作“時(shí)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(guò)組合多個(gè)AND、OR、NOT、XOR等邏輯門(mén)而構成的?？梢岳斫鉃橛枚鄠€(gè)邏輯門(mén)的排列就能實(shí)現多種功能的電路。

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

　　可選擇輸出信號的多路復用器

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

　　如果用開(kāi)關(guān)說(shuō)明多路復用器的工作原理，如圖5所示。開(kāi)關(guān)A包括4個(gè)縱向聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)B也是一樣。那么，當開(kāi)關(guān)A為0，開(kāi)關(guān)B也為0時(shí)，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，當開(kāi)關(guān)A為1，開(kāi)關(guān)B為0時(shí)，輸入1的信號將連接到輸出上。當開(kāi)關(guān)A為0，開(kāi)關(guān)B為1時(shí)，輸出2的信號將連接到輸出上。當開(kāi)關(guān)A為1，開(kāi)關(guān)B為1時(shí)，輸入3的信號將連接到輸出上。也就是說(shuō)，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B從4個(gè)輸入中選擇一個(gè)輸出。這就是實(shí)現信號切換的多路復用器電路。

　　圖5：用開(kāi)關(guān)構成的多路復用器

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

　　圖6：用邏輯電路構成的多路復用器

　　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(gè)輸入信號可通過(guò)4個(gè)輸出信號中的一個(gè)輸出。比如當兩個(gè)輸入為二進(jìn)制時(shí)，讓4個(gè)輸出信號分別對應十進(jìn)制的0、1、2、3，就可以認為這是一個(gè)將二進(jìn)制解碼為十進(jìn)制的電路。

　　圖7：用邏輯電路構成的解碼器

　　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”。其中大多數都是應用多路復用器和解碼器制作而成的。但是，如果只是應用而不做改善的話(huà)，將出現電路冗長(cháng)等問(wèn)題，所以，需要簡(jiǎn)化并壓縮電路。