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(A-19)数字逻辑器件简介(刘梦新)
2017-07-28 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

1. 概述

  数字逻辑器件是以二进制为原理,实现数字信号逻辑运算和操作的电路。主要分为组合逻辑电路和时序逻辑电路,其中组合逻辑电路的逻辑功能与时间无关,即不具记忆和存储功能,而时序逻辑电路的输出结果不仅与输入逻辑相关,而且还受时序的控制。由于逻辑器件只分高、低点平,电路抗干扰能力强,精度和保密性极佳。 

  数字逻辑器件广泛应用于逻辑控制、驱动转换和电子系统连接之中,是电子控制系统中不可或缺的关键电路之一。 

2. 器件现状及分类

  1963年,国际固体电路会议首先发表了制成CMOS集成电路的报告。l967年,RCA(美国无线电公司)开始试销CMOS产品;20世纪70年代初正式推出比较完整的CMOS标准数字电路产品CD4000系列,随后美国Motorola (摩托罗拉)公司也发表了MCL4500系列,两者合称为4000系列。 

  20世纪70年代中期,4000A系列发展为4000B系列,工作电压范围从A系列的3-15v扩展为B系列的3-18v,而且B系列除少量器件为非缓冲输出外,大部分器件都是缓冲输出的,使它的参数和性能比A系列有较大的改进。1976年,由JEDEC(联合电子器件工程委员会)制定了统一规范,使B系列的功能和管脚排列标淮化,成为全世界各CMOS集成电路制造厂家共同生产的标准系列。 

  高速CMOS 54HC/74HC系列与4000系列各个器件的电路图完全相同,都是互补对称的电路结构,即逻辑器件基本上包含数量相同的P管和N管。氧化物隔离、较浅的结深、较短的沟道长度和较小的栅覆盖电容,使高速CMOS集成电路寄生电容比金属栅CMOS减小了一半左右。高速CMOS集成电路较低的开启电压(典型值为0.7v)、较薄的栅氧化层和较短的沟道长度,使它的跨导比金属栅CMOS增长几乎4倍。再加上高速CMOS集成电路寄生电容比金属栅减小了一半左右,两者综合作用的效果使高速CMOS的开关速度达到金属栅CMOS8—10倍。 

  高速CMOS 54HC/74HC系列具有下列特点; 

  •   具有从简单的门电路至大规模集成电路的全系列产品; 

  •   器件功能管脚与路TTLCMOS 4000系列相同; 

  •   工作温度范围宽; 

  •   耐闩锁能力强; 

  •   全部输入、输出端都有防静电的保护电路; 

  •   功耗低; 

  •   噪声容限高, 

  •   电源电压范围宽 

  随着个人计算机及电子数据处理设备的普及和推广,特别是袖珍机和便携式电子设备的使用,对高速、低功耗器件的需求越来越迫切,这就促使这些仪器、设备的电源电压下降到3.3±0.3v的标准。对于集成电路而言,则要求在低压下保持甚至超过5V系列的性能。为了开发低压高速CMOS数字集成电路,国家半导体、Motorola和东芝等公司组成一个集团,德州仪器、飞利浦和日立组成另一个集团。在1992年推出了LVQ系列后,又陆续开发出LVXLVTLVCLVLCX等多种低压高速CMOS系列。 

  逻辑器件可以按照功能、工艺特点和逻辑电平等方式进行分类。 

  1.   功能分类 

  按功能进行划分,逻辑器件可以大概分为以下几类: 

  门电路和反相器、选择器、译码器、计数器、寄存器、触发器、锁存器、缓冲驱动器、收发器、总线开关、背板驱动器等。 

  门电路和反相器:逻辑门主要有与门54HC08、与非门54HC00、或门54HC32、或非门54HC02、异或门54HC86、反相器54HC04等; 

  选择器:主要有2-14-18-1选择器54HC15754HC15354HC151等; 

  /译码器:主要有2/43/84/16译码器54HC13954HC13854HC154等; 

  计数器:主要有同步计数器54HC161和异步计数器54HC393等; 

  寄存器:主要有串-并移位寄存器54HC164和并-串寄存器54HC165等; 

  触发器:主要有J-K触发器、带三态的D触发器54HC374、不带三态的D触发器54HC74、施密特触发器等; 

  锁存器:主要有D型锁存器54HC373、寻址锁存器54HC259等; 

  缓冲驱动器:主要有带反向的缓冲驱动器54HC240和不带反向的缓冲驱动器54HC244等; 

  收发器:主要有寄存器收发器54HC543、通用收发器54HC245、总线收发器等;总线开关:主要包括总线交换和通用总线器件等; 

  背板驱动器:主要包括TTLLVTTL电平与GTL/GTL+GTLP)或BTL之间的电平转换器件。 

  1.   工艺分类 

  按工艺特点进行划分,逻辑器件可以分为BipolarCMOSSOI CMOSBiCMOS等工艺。 

  Bipolar(双极)工艺的器件有: TTLSLSASFALS 

  CMOS工艺的器件有: HCHCTCD40000ACLFCTLVCLVCBTALVCAHCAHCTCBTLVAVCGTLP 

  SOI CMOS工艺的器件有:HCSHCTSACSACTS 

  BiCMOS工艺的器件有:BCTABTLVTALVT 

  1.   电平分类 

  逻辑器件的电平主要有以下几种:5VTTL5VCMOS3.3V电平、2.5V电平等。 

  5V的逻辑器件:TTLSLSALSASHCTHCBCT74FACTACAHCTAHCABT等系列器件 

  3.3V及以下的逻辑器件:LV的和V 系列及AHCAC系列,主要有LVAHCACALBLVCALVCLVT等系列器件。 

  具体情况可以参考TI公司的逻辑器件产品系列图。 

 

  3.1.1 TI公司的逻辑器件产品系列图 

  1.   特殊功能逻辑器件 

  总线保持功能(Bus hold):由内部反馈电路保持输入端最后的确定状态,防止因输入端浮空的不确定而导致器件振荡自激损坏;输入端无需外接上拉或下拉电阻,节省PCB空间,降低了器件成本开销和功耗。ABTLVTALVCALVCHALVTHLVCGTL系列器件有此功能。命名特征为附加了“H”如:SNJ54LVTH245AFK 

  串联阻尼电阻(series damping resistors):输出端加入串联阻尼电阻可以限流,有助于降低信号上冲/下冲噪声,消除线路振铃,改善信号质量。具有此特征的ABTLVCLVTALVC系列器件在命名中加入了“2”或“R”以示区别,如ABT162245ALVCHR162245。对于单向驱动器件,串联电阻加在其输出端,命名如SN54LVC2244;对于双向的收发器件,串联电阻加在两边的输出端,命名如SN54LVCR2245 

  上电/掉电三态(PU3SPower up/power down 3-state):即热拔插性能。上电/掉电时器件输出端为三态,VCC阀值为2.1V;应用于热拔插器件/板卡产品,确保拔插状态时输出数据的完整性。多数ABTLVCLVTLVTH系列器件有此特征; 

  ABT器件(Advanced BiCMOS Technology:结合了CMOS器件(HC/HCTLV/LVCALVCAHC/AHCT)的高输入阻抗特性和双极性器件(Bipolar,如TTLLSASALS)输出驱动能力强的特点。包括ABTLVTALVT等系列器件,应用于低电压,低静态功耗环境; 

  VCC/GND对称分布:16Widebus器件的重要特征,对称配置引脚,有利于改善噪声性能。AHC/AHCTAVTAC/ACTCBTLVTALVCLVCALB系列16Widebus器件有此特征; 

  分离轨器件(Split-rail):即双电源器件,具有两种电源输入引脚VCCAVCCB,可分别接5V3.3V电源电压。如ALVC164245LVC4245等,命名特征为附加了“4” 



 
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