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2021-04-02
刘洋
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什么是数字集成电路IC？
数字集成电路是指集成了一个或多个门电路的半导体元器件。数字集成电路拥有多个种类，根据用途不同，可分为如下几类。
微处理器(microcomputer)：
进行各种处理的集成电路
存储器：
记录数据的集成电路
标准逻辑IC：
通过集成电路的组合实现各类功能的逻辑电路
专用逻辑IC：
特定用途集成电路，允许用户设计自己专用的逻辑电路
标准逻辑IC”是将逻辑电路的基本要素和可共通使用的功能集合于一体的小规模集成电路，是构成逻辑电路的基本要素。
本期将着重讲解“标准逻辑IC”，学习数字IC的知识。
数字IC和标准逻辑IC
“标准逻辑IC”的种类约有600多种，有最单纯的逻辑电路IC，也有高功能的、含有逻辑运算的IC。
大致可分为TLL集成电路与CMOS集成电路两种。
TTL (Transistor-transistor logic) IC：
电路的主要部分由双极性晶体管构成，工作电压为5V。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) IC：
电路的主要部分是由P通道和N通道的MOSFET构成的，工作电压范围比较大。
图1：TTL IC
数字IC之间传递信号时，需要规定信号的“高（High）”、“低（low）”逻辑以及与其对应的电压。这种与逻辑对应的电压称为逻辑电平。
不同的逻辑电平，将无法传输信号，还有可能损坏集成电路。
在TTL IC中，判断标准如下：
输入信号时
2.0V以上为“高（High）”，0.8V以下为“低（Low）”
输出信号时
0.4V以下为“低（Low）”，2.4V以上“高（High）”
图2：CMOS IC
TTL IC就是根据规定的TTL接口标准制作的，该标准规定了输入输出电压与逻辑之间的关系。因此，在TTL IC之间传递信号时，不需要考虑逻辑电平的问题。
但是，CMOS IC拥有许多系列，各个系列的逻辑电平各不相同。有时还会根据电源电压发生变化。因此，需要根据逻辑电平进行连接。
注意误操作和扇出
在连接“标准逻辑IC”时，需要考虑一个输出最大可连接的IC数量。
在TTL IC中，可连接IC的数量受到输出电流的限制，我们把允许连接的IC上限个数称为扇出。只要想起TTL IC是由双极性晶体管构成的，就能容易地想象出开关切换时是需要电流的。TTL IC的扇出可以通过输出电流除以输入电流来求出（图3）。需要注意的是如果连接的IC个数超过了扇出数，将无法保证输出的逻辑电平。
图3：TTL IC的扇出
由于CMOS IC的输入引脚中几乎没有电流，因此无法根据电流计算它的扇出数。需要根据负载容量计算（图4）。
在CMOS IC的数据表中，通过传播延迟时间的测量方法明确记载了负载容量。如超过负载容量，传播延迟时间将变长，可能引起误操作，需要注意。
图4：CMOS IC的扇出
输出线之间连接，漏极开路
漏极开路是指不能输出高电平(High)的FET(如图A右图)。在漏极开路的电路中，不存在通常CMOS IC输出段（如图A左图）中和VCC相连的MOSFET，所以，无法输出高电平。只能输出Low或高阻抗（输出端和电路是断开的，是一个无法输出电流和电压的状态）。
在高阻抗的情况下，由于输出不稳定，因此需要通过电阻和电源相连，把输出端固定在High电平下使用。该电阻称为上拉电阻。
由于上拉电阻连接的电压不需要与电源电压相同，因此可以连接逻辑电平不同的IC。
图A：CMOS输出与漏极开路输出
组合逻辑电路
逻辑电路中，只通过输入信号的组合方式决定输出的逻辑电路称作“组合逻辑电路”。
相反，内部拥有记忆电路和同步电路，只通过输入信号的组合无法决定输出的逻辑电路被称作“时序逻辑电路”。
本期只对前者“组合逻辑电路”进行讲解。
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