數(shù)字集成電路接口技術(shù)淺述

　　摘 要： 本文對常用數(shù)字集成電路做了簡單的分類，簡要說明了TTL和CMOS集成電路的使用注意事項(xiàng)，并著重從電壓匹配與電流匹配這一角度，對TTL和CMOS集成電路相互間的接口轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字集成電路 電壓匹配 接口技術(shù)
　　
　　一、引言
　　當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，數(shù)字集成電路具有可靠性高、靜態(tài)功耗小、工作速度高、壽命長和低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此它在通信、電力、自動化設(shè)備和家用電器等諸多方面得到了廣泛應(yīng)用。目前數(shù)字集成電路種類繁多，不同類型的集成電路在連接時，如果邏輯電平不匹配，且考慮到負(fù)載能力的限制，那么中間就需要串入接口電路，否則將引起邏輯混亂，甚至損壞集成芯片。因此，為了更好地使用數(shù)字集成電路，就有必要對其具體使用方法和接口技術(shù)要有一定的認(rèn)識。
　　二、數(shù)字集成電路的分類
　　按照電路結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)字集成電路可分為兩大類：一類是雙極型集成電路，采用晶體管作為開關(guān)元件，管內(nèi)有電子和空穴兩種極性的載流子參與導(dǎo)電；另一類采用絕緣柵場效應(yīng)晶體管作開關(guān)元件，稱為MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成電路。這種管子內(nèi)部只有一種載流子，即電子或空穴參與導(dǎo)電，故又稱單極型集成電路。下面我對這兩種類型的數(shù)字集成電路予以簡要說明。
　　（一）雙極型集成電路
　　TTL電路（Transistor-Transistor Logic即晶體管——晶體管邏輯電路）也稱為TL，是目前雙極型數(shù)字集成電路中應(yīng)用得最多的一種。它具有較快的開關(guān)速度、較強(qiáng)的抗干擾能力，以及足夠大的輸出幅度，且?guī)ж?fù)載能力也比較強(qiáng)，所以得到了最為廣泛的應(yīng)用［１］。
　　在雙極型數(shù)字集成電路中，除了TTL電路以外，還有高閾值邏輯（High Threshold Logic，簡稱HTL）、二極管—三極管邏輯（Diode-Transistor Logic，簡稱DTL）、發(fā)射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic，簡稱ECL）和集成注入邏輯（Integrated Injection Logic，簡稱IL）等幾種邏輯電路。其中較為常用是ECL電路，其電路中的三極管工作在非飽和狀態(tài)，是一種非飽和電路，有極高的工作速度。此外它還具有輸出阻抗低、帶負(fù)載能力強(qiáng)、電路內(nèi)部開關(guān)噪聲低、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是：噪聲容限低，電路功耗大，輸出電平的穩(wěn)定性較差。目前ECL電路主要用于高速、超高速數(shù)字系統(tǒng)中。
　　（二）MOS集成電路
　　MOS數(shù)字集成電路是指只有一種載流子參與導(dǎo)電的電路，其中只有電子參與導(dǎo)電的稱為NMOS電路；只有空穴參與導(dǎo)電的稱為PMOS電路；如果是用NMOS及PMOS復(fù)合起來構(gòu)成的互補(bǔ)（Complementary）MOS集成電路，則稱為CMOS電路。PMOS和NMOS組件中各只含有一種MOS管，習(xí)慣上稱它們?yōu)镸OS集成電路，以與CMOS集成電路相區(qū)別。
　　PMOS集成電路問世較早，但由于其速度低，現(xiàn)已很少使用；NMOS集成電路速度稍高，且直流電源電壓較低，在工藝上可以制造出開啟電壓較低的器件，故NMOS集成電路仍在使用中。CMOS數(shù)字集成電路與TTL數(shù)字集成電路相比，有許多優(yōu)點(diǎn)，如工作電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，輸入阻抗高，成本低，等等。因而，CMOS數(shù)字集成電路得到了廣泛的應(yīng)用。
　　三、CMOS電路和TTL電路的使用注意事項(xiàng)
　　由于CMOS與TTL數(shù)字集成電路有其各自的工作特點(diǎn)，因此在應(yīng)用數(shù)字集成電路時對其要有正確的使用方法。下面我就對CMOS與TTL相應(yīng)使用事項(xiàng)作以簡要說明。
　　（一）CMOS電路的使用知識
　　1.輸入電路的靜電保護(hù)
　　CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
　　（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。
　　（2）存儲和運(yùn)輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。
　　2.多余的輸入端不能懸空
　　輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其他輸入端并聯(lián)使用。
　　（二）TTL電路的使用知識
　　1.多余輸入端處理方法
　　（1）與其他輸入端并聯(lián)使用。
　　（2）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門、與非門的多余輸入端接電源，將或門、或非門的多余輸入端接地。
　　2.電路的抗干擾處理
　　（1）在每一塊插板的電源線上，并接幾十μF的低頻去耦電容和0.01—0.047μF的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。
　　（2）整機(jī)裝置應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)［２］。
　　四、常用數(shù)字集成電路接口技術(shù)
　　在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，往往由于工作速度或者功耗指標(biāo)的要求，需要采用多種邏輯器件混合使用，而由于每種器件的電壓和電流參數(shù)各不相同，因此需要采用接口電路來連接不同類型的集成電路。如s3fCOMYPia45N8vqyOOhTuERuOpwop/Y8A9/OBP83Nw=TTL和CMOS電路需要采用接口電路一般要考慮兩個問題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供符合標(biāo)準(zhǔn)的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供足夠大的驅(qū)動電流。下面我就CMOS電路和TTL電路之間的接口問題加以分析［３］。
　　（一）TTL門驅(qū)動CMOS門
　　1.電平不匹配2.電流匹配
　　因?yàn)镃MOS輸入電流幾乎為零，所以TTL驅(qū)動CMOS在電流的兼容性上不存在問題。
　　3.解決電平不匹配問題的方法
　　（1）外接上拉電阻在TTL門電路的輸出端外接一個上拉電阻R5V。（如圖1所示）
　　圖1 TTL驅(qū)動CMOS接口電路
　　（2）選用電平轉(zhuǎn)換電路（如CC40109）
　　若電源電壓不一致時可選用電平轉(zhuǎn)換電路。CMOS電路的電源電壓可選3—18V；而TTL電路的電源電壓只能為5V。
　　（3）采用TTL的OC門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
　　若電源電壓不一致時也可選用OC門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
　　（二）CMOS門驅(qū)動TTL門
　　1.電平匹配
　　CMOS門電路作為驅(qū)動門，U.8V。電平匹配是符合要求的。
　　2.電流不匹配
　　由于TTL門電路的低電平輸入電，而CMOS門電路的低電平輸出電流遠(yuǎn)小于1.6mA，因此電流不匹配，需要加接口電路。
　　3.解決電流匹配問題的方法
　　（1）選用CMOS緩沖器：比如，CC4049的驅(qū)動電流可達(dá)4mA，完全可以滿足TTL輸入電流的要求。（如圖2所示）
　　圖2 CMOS驅(qū)動TTL接口電路
　　（2）選用高速CMOS系列產(chǎn)品：如選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可就以直接驅(qū)動TTL電路。
　　（3）CMOS電路并聯(lián)驅(qū)動TTL，這種方法只允許在CMOS為同一集成芯片時使用。
　　五、結(jié)語
　　在數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常常需要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對工作速度或功耗的要求選用不同類型的數(shù)字集成電路。因此不同類型的集成電路在混合使用時，要根據(jù)其相應(yīng)引腳的邏輯電平和帶負(fù)載能力采用相應(yīng)的接口電路，這樣才能確保電路邏輯準(zhǔn)確、性能可靠。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.5.
　　［2］侯伯享.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.1.
　　［3］孫余凱，項(xiàng)綺明.數(shù)字集成電路基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.2.