數字集成電路接口技術淺述

　　摘 要： 本文對常用數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，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換技術進行了研究。
　　關鍵詞： 數字集成電路 電壓匹配 接口技術
　　
　　一、引言
　　當今社會是數字化的社會，數字集成電路具有可靠性高、靜態功耗小、工作速度高、壽命長和低成本等優點，因此它在通信、電力、自動化設備和家用電器等諸多方面得到了廣泛應用。目前數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，為了更好地使用數字集成電路，就有必要對其具體使用方法和接口技術要有一定的認識。
　　二、數字集成電路的分類
　　按照電路結構的不同，數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元件，管內有電子和空穴兩種極性的載流子參與導電；另一類采用絕緣柵場效應晶體管作開關元件，稱為MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成電路。這種管子內部只有一種載流子，即電子或空穴參與導電，故又稱單極型集成電路。下面我對這兩種類型的數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，是目前雙極型數字集成電路中應用得最多的一種。它具有較快的開關速度、較強的抗干擾能力，以及足夠大的輸出幅度，且帶負載能力也比較強，所以得到了最為廣泛的應用［１］。
　　在雙極型數字集成電路中，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，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、帶負載能力強、電路內部開關噪聲低、使用方便靈活等優點。它的主要缺點是：噪聲容限低，電路功耗大，輸出電平的穩定性較差。目前ECL電路主要用于高速、超高速數字系統中。
　?。ǘ㎝OS集成電路
　　MOS數字集成電路是指只有一種載流子參與導電的電路，其中只有電子參與導電的稱為NMOS電路；只有空穴參與導電的稱為PMOS電路；如果是用NMOS及PMOS復合起來構成的互補（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，習慣上稱它們為MOS集成電路，以與CMOS集成電路相區別。
　　PMOS集成電路問世較早，但由于其速度低，現已很少使用；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數字集成電路與TTL數字集成電路相比，有許多優點，如工作電源電壓范圍寬，靜態功耗低，抗干擾能力強，輸入阻抗高，成本低，等等。因而，CMOS數字集成電路得到了廣泛的應用。
　　三、CMOS電路和TTL電路的使用注意事項
　　由于CMOS與TTL數字集成電路有其各自的工作特點，因此在應用數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相應使用事項作以簡要說明。
　　（一）CMOS電路的使用知識
　　1.輸入電路的靜電保護
　　CMOS電路的輸入端設置了保護電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護還是有限的。CMOS電路的輸入阻抗高，極易產生感應較高的靜電電壓，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，應注意以下幾點。
　?。?）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。
　?。?）存儲和運輸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
　　輸入端懸空極易產生感應較高的靜電電壓，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使用。
　　（二）TTL電路的使用知識
　　1.多余輸入端處理方法
　?。?）與其他輸入端并聯使用。
　?。?）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電路的動態尖峰電流產生的干擾。
　?。?）整機裝置應有良好的接地系統［２］。
　　四、常用數字集成電路接口技術
　　在數字系統設計中，往往由于工作速度或者功耗指標的要求，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，即驅動門要為負載門提供符合標準的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅動門要為負載門提供足夠大的驅動電流。下面我就CMOS電路和TTL電路之間的接口問題加以分析［３］。
　?。ㄒ唬㏕TL門驅動CMOS門
　　1.電平不匹配2.電流匹配
　　因為CMOS輸入電流幾乎為零，所以TTL驅動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
　?。?）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驅動CMOS接口電路
　　（2）選用電平轉換電路（如CC40109）
　　若電源電壓不一致時可選用電平轉換電路。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門實現電平轉換。
　　若電源電壓不一致時也可選用OC門實現電平轉換。
　?。ǘ〤MOS門驅動TTL門
　　1.電平匹配
　　CMOS門電路作為驅動門，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
　?。?）選用CMOS緩沖器：比如，CC4049的驅動電流可達4mA，完全可以滿足TTL輸入電流的要求。（如圖2所示）
　　圖2 CMOS驅動TTL接口電路
　?。?）選用高速CMOS系列產品：如選用CMOS的54HC/74HC系列產品可就以直接驅動TTL電路。
　　（3）CMOS電路并聯驅動TTL，這種方法只允許在CMOS為同一集成芯片時使用。
　　五、結語
　　在數字電路或數字系統的設計中，常常需要根據設計指標對工作速度或功耗的要求選用不同類型的數字集成電路。因此不同類型的集成電路在混合使用時，要根據其相應引腳的邏輯電平和帶負載能力采用相應的接口電路，這樣才能確保電路邏輯準確、性能可靠。
　　
　　參考文獻：
　　［1］閻石.數字電子技術基礎（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.5.
　?。?］侯伯享.數字系統設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2004.1.
　　［3］孫余凱，項綺明.數字集成電路基礎與應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.2.