数字集成电路

1、22数字集成电路专题研究摘要：现在的电路可以分为两个方向，一个是数字，还有一个是模拟，在此更加偏重对数字方面的研究！全文一共可以分为两部分，一部分是基本的数字电路，还有一部分为较大型的集成电路。前一部分（基本数字电路）从认识数字电路开始，其间涉及到数字电路的分析方法-函数分析方法；在数字电路中分TTL和COMS两种电路，在此报告中提到了这两种电路的电平比较关系。因COMS电路功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等优点，所以着重介绍一下CMOS电路的常用特性，以及由它构成的一些常见的数字电路！而在后半部方介绍的是集成电路，从集成电路的分类到如何做好集成电路的设计;集成电路的设计分为前端和后

2、端设计前端是指逻辑部分，后端是指物理层的设计 前端是设计内部的逻辑后端是指假设逻辑设计已经完成，如何做出最后的芯片，涉及到芯片内部如何分区，如何布线，模拟部分，寄生效应等等而由于专业方向这里又着重去讨论前端设计：系统集成芯片（SoC）的IC设计。同时收集了一些集成电路的设计工具。关键字：数字电路 函数表示 COMS集成电路 常见的数字电路 集成电路分类 IC前端设计工具 系统集成芯片SOC IC设计软件 VHDL/ Veriolg HDL正文：一数字电路简介：在电子设备中，通常把电路分为模拟电路和数字电路两类，前者涉及模拟信号，即连续变化的物理量，例如在24小时内某室内温度的变化量；后者涉及数

3、字信号，即断续变化的物理量，开关K 快速通、断时，在电阻R 上就产生一连串的脉冲（电压），这就是数字信号。人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路工作时通常只有两种状态：高电位（又称高电平）或低电位（又称低电平）。通常把高电位用代码“1 ”表示，称为逻辑“1 ”；低电位用代码“0 ”表示，称为逻辑“0 ”（按正逻辑定义的）。注意：有关产品手册中常用“H ”代表“1 ”、“L ”代表“0 ”。实际的数字电路中，到底要求多高或多低的电位才能表示“1 ”或“0 ”，这要由具体的数字电路来定。例如一些TTL 数字电路的输出电压等于或小于0.2V，均可认为是逻辑“0 ”，等于或

4、者大于3V，均可认为是逻辑“1 ”（即电路技术指标）。CMOS数字电路的逻辑“0 ”或“1 ”的电位值是与工作电压有关的。 讨论数字电路问题时，也常用代码“0 ”和“1 ”表示某些器件工作时的两种状态，例如开关断开代表“0 ”状态、接通代表“1 ”状态。2.三种基本逻辑电路数字电路中的基本电路是与门、或门和非门（反相器）。与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端。因输入和输出可以各自为“0 ”或“1 ”状态，具有判定的功能，所以把它们称为基本逻辑电路。二数字电路分析的逻辑函数的表示方法：在逻辑电路的设计时，常用四种方法表示逻辑电路的函数关系（指输入输出关系），即逻辑图、真值

5、表、函数表达式和卡诺图。实际应用中逻辑图和真值表是最常用的，应必须掌握的；函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用。1、逻辑函数从上面讲过的各种逻辑关系中可以看到，如果以逻辑变量作为输入，以运算结果作为输出，输出与输入之间是一种函数关系。这种函数关系称为逻辑函数，写作Y=F（A，B，C，）任何一件具体的因果关系都可以用一个逻辑函数描述，由于变量和输出（函数）的取值只有0和1两种状态，所以我们所讨论的都是二值逻辑函数。2、真值表：将输入变量所有的取值下对应的输出值找出来，列成表格，即可得到真值表。从真值表写出逻辑函数式的一般方法，这就是找出真值表中使逻辑函数Y=1的那些输入变

6、量取值的组合。每组输入变量取值的组合对应一个乘积项，其中取值为1的写入原变量，取值为0的写入反变量。将这些乘积项相加，即得Y的逻辑表达式。比如，在举重比赛中，通常设三名裁判：一名为主裁，另两名为副裁。竞赛规则规定运动员每次试举必须获得主裁及至少一名副裁的认可，方算成功。裁判员的态度只能同意和不同意两种；运动员的试举也只有成功与失败两种情况。举重问题可用逻辑代数加以描述：用A、B、C三个逻辑变量表示主副三裁判：取值1表示同意（成功），取值0表示不同意（失败）。举重运动员用L表示，取值1表示成功，0表示失败。显然，L由A、B、C决定。L为A、B、C的逻辑函数。列表如下：ABCL0000001001

7、0001101000101111011111该表称为逻辑函数L的真值表。真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值所对应的函数值，不能有遗漏。（二个变量有22=4，三个逻辑变量有238，四个变量有2416种可能的取值）从真值表可看出L取值为1只有三项，A、B、C的取值分别为101、110、和111三种情况L才等于1。、三项与上述三种取值对应。 3、逻辑图逻辑图是一种描述电路原理得方式，任何一个逻辑函数，无论多么复杂，都可以用相应的逻辑图表示。构成逻辑图的方法是将逻辑函数分解成若干基本逻辑门，根据逻辑函数关系连接而成。将逻辑表达式中的与项用与门代替，或项用或门代替，即可画出与上述函数形式对应的逻辑图如

8、图图5三数字电路按电路所用器件分类，可以分为：双极型（如DTL、TTL、ECL、IIL、HTL）和单极型（如NMOS、PMOS、COMS）电路，下面总结一下TTL和CMOS电平关系：1）.TTL电平： 输出高电平 2.4V 输出低电平 0.4V 在室温下，一般输出高电平是3.5V 输出低电平是0.2V。 最小输入高电平和低电平 输入高电平 =2.0V 输入低电平 =0.8V 它的噪声容限是0.4V.2）.CMOS电平： 1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。3）.电平转换电路： 因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5vcmos 33v），所以

9、互相连接时需要电平的转换，就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。OC门，即集电极开路门电路，它必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。 4）.TTL和COMS电路比较： 1、TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。 2、TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。 COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。 COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。 5）.COMS电路的锁定效应： COMS电路由于输入太大的电流

10、，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。 6）.防御措施： (1)、在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。 (2)、芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。 (3)、在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。 （4）、当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS电路的电源。 7）、COMS电路的使用注意事项 (1)、CO

11、MS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很弱 (2)、输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。 (3)、当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。 (4)、当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。 (5)、COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。 8）.TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）： 1、悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。 2、在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输

12、入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。 9）.TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。 开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输

13、出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。 OD门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。 10）.什么叫做图腾柱，它与开漏电路有什么区别？ TTL集成电路中，输出有接上拉三极管的输出叫做图腾柱输出，没有的叫做OC门。因为TTL就是一个三级关，图腾柱也就是两个三级管推挽相连。所以推挽就是图腾。一般图腾式输出，高电平400UA，低电平8MA四、集成数字电路分TTL和CMOS两种类型，这里以介绍CMOS集成数字电路为主，因它功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等，CMOS集成电路的

14、常用特性：1、工作电源电压常用的CMOS集成电路工作电压范围为3 18V （也有7 15V 的，如国产的C000系列），因此使用该种器件时，电源电压灵活方便，甚至未加稳压的电源也可使用。2、输入阻抗高CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路，在正常工作范围内，保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流。通常情况下，等效输入电阻大于108 ，因此驱动CMOS集成电路时，所消耗的驱动功率几乎可以不计。3、输出电流CMOS集成电路的输出电流（指内部各独立功能的输出端）一般是10mA，所以使用时应加推动级输出，但输出端若连接CMOS电路时（即扇出能力），因C

15、MOS电路的输入阻抗高，对于低频工作时，一个输出端可以带动50个以上输入端，实际上几乎不需考虑扇出功能的限制。4、抗干扰能力强CMOS电路抗干扰能力是指电路在干扰噪声的作用下，能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。电路的抗干扰能力通常以噪声容限来表示，即直流电压噪声容限、交流（指脉冲）噪声容限和能量噪声（指输入端积累的噪声能量）三种。直流噪声容限可达电源电压的40以上，所以使用的电源电压越高，抗干扰能力越强。这是工业中使用CMOS逻辑电路时，都采用较高的供电电压的原因。TTL 相应的噪声容限只有0.8V（因TTL 工作电压为5V）。五、 常见CMOS数字电路：门电路是一种基本逻辑部件，

16、用它们可以构成组合逻辑和时序逻辑电路。CMOS门电路产品种类很多，均可从相应的手册上查到，但归纳起来有八类：反相器、与非门、或非门、与门、或门、缓冲/ 电平变换器、组合逻辑和具有三态输出的逻辑门等。门电路可组成组合电路。组合电路的特点是电路的输出信号仅与该时刻的输入信号有关而与电路原来所处的状态无关，通常称他们为组合逻辑电路，简称组合电路。常见的组合电路有编码器、译码器、数字分配器和数字选择器等。时序电路是指电路的输出状态与电路输入信号时间顺序有关，所以称为时序电路，如各类数码寄存器、各种计数器和顺序脉冲发生器等。1、与门电路2 输入端与门的功能设计成这样：当输入端A 、B 同时都为逻辑“1”

17、状态时，输出Z 才是逻辑“1”状态。这里作如下规定：开关K1、K2断开时，代表输入A 、B 的“0”状态、接通时代表输入A 、B 的“1”状态；灯L灭代表输出的Z 的“0”状态，灯L 亮代表输出Z 的“1”状态。之后将开关K1、K2“接通”和“断开”的各种组合状态，以及由此引起灯“亮”和“灭”的输出状态列成表格，该表格叫做真值表，要使灯L 点亮，即输出Z 必须是“1”状态，输入的A 、B 也必须是“1”状态。与门真值表如下：ABZ0000101001112、或门和非门或门的逻辑关系如下：各输入端只要有一个状态为“1 ”时，输出便是“1”。非门只有一个输入端和一个输出端，并且其输出状态总是和输入

18、状态相反的，即求“反”。或门真值表如下：ABZ0001010111113、编码器和译码器编码和译码是数字电路（包括工业控制、单片机和PC机）常用的一种手段。通过编译码器可以解决家电、工业和工程上的许多问题，也是初学者必须掌握的数字电路知识。所谓“编码”是指用若干数字或文字符号按照预先的约定（又称规定或定义）表示特定对象的过程。例如电信局给某用户编制了一个电话号码3245110 ，实际上就是把这个用户用代码3245110 表示出来，这就是编码。 常生活中的一个数按一定的计数方式（制）写出来也叫编码，如写成十进制，就是按十进制编码；如果写成二进制，就是按二进制编码。一旦编码的规则定义后，由此派生的

19、问题都应遵循编码的规定。例如十进制编码规定，十进制的一位数是按十个符号0 、1 、2 9 来表示十种不同的代码，若超过9 的数，则用多位数表示，且低位和高位关系是“逢十进一”。在二进制中，每个数位（即二进制的1 位）只能取两种不同的数码即“0 ”和“1 ”，其特点是：“逢二进一”，即当本位是1 ，又要再加1 时，本位便成0 ，同时向高位进1 ，例如1 1=10. 为了熟悉二进制的表示和运算规则，我们用四位二进制数码来表示十进制的一位数，并列成表，该表也是一种编码方式，这种编码就称为BCD 码。所谓BCD 码就是用二进制的编码表示十进制数。将四位二进制码一直加1 时，还有六种状态，但按BCD 码

20、的约定，其余六种状态（1010、1011、1100、1101、1110、1111）对BCD 码都是非法的，即在BCD 码中是不允许出现的。（2 ）位、字节这里顺便说说关于计算机技术中常见的专业用语：位、字节。计算机（包括单片机）中的“位”是指二进制数的位，常用bit 表示，例如BCD 码中的1001是4 位。单片机中常处理8 位二进制数，常把它定义成一个字节，常用Byte表示。单片机中的数据存储量，处理速度都是以字节为单位的。表示存储器容量的单位是kB，称为千字节（实际是1024个字节）。在计算技术中，为了说明计数方式是二进制数，常在二进制数后面加B ，以与其它计数制区别，如BCD 码中的11

21、01B.4、集成三态R S 锁存触发器（1）三态RS锁存触发器CD4044将三态输出的与非门接成R S 触发器，就构成了具有三态的锁存触发器，如集成电路CD4044.CD4044 是16引脚的IC，内含4 个三态R S 触发器， EN端是各R S 触发器共同的三态控制端（“0 ”电平禁止）；S 、R 代表各自的R S 触发器的输入端，Q1Q4代表各触发器的输出端，触发器的Q 端均未引出。看出它与上次连载中的R S 与非门触发器相比，除多了一个控制端EN外，均完全相同，只需把EN端接高电平，该IC就是含有四个R S 与非门触发器的集成电路。注意：用或非门也可以构成三态R S 锁存触发器，由两个与

22、非门互耦而成的RS锁存器如图6，是各种触发器的基本单元电路，它有两个低电平有效的数据输入端（：置位输入；：复位输入）和一对互补的数据输出端（和）。时，锁存器处于置位状态；时，锁存器处于复位状态。和有四种组合，如果无效，无效，锁存器的状态将与初态相同；如果有效，无效，锁存器的状态将为；如果无效，有效，锁存器的状态将为；如果有效，有效，锁存器的状态将是不确定的。图6（2）D 型触发器D 型触发器相似于晶体三极管的射极输出器电路，即在时钟CP信号上升沿指挥下，D 型触发器就能把D 端的数据传输到输出端。输入端无CP信号时，D 端信号对触发器不起作用。各触发器一旦做成产品IC时，其输入端还增加有置“0

23、”端或置“1”端 内部有两个D 触发器。锁存概念：组合逻辑电路，其特点是电路的输出信号仅仅与该时刻的输入信号有关，输入信号一旦撤除，输出信号也就消失。例如在十进制二进制的编码电路中，当手动按下单脉冲的开关时，编码电路会产生对应的编码信号（可看成数据），一旦手离开开关时，输出端复原为原状态。若需要编码器的输出信号保留住（即存储），就需要再附加触发器电路，不仅如此，在计算机电路中，为了处理多个数据，均在给定的时间（即时钟信号）进行，这就要求各种触发器的输入端除了数据信号外，还有时钟输入信号（CP端）。时钟CP信号未到触发器的输入端时，输入端的控制信号（包括数据）均对触发器不起作用。它有两个控制端J

24、 、K 和一个时钟端CP。 J K 型触发器是在时钟脉冲的下降沿时，它才改变其输出状态（置“0”或置“1”态）。表中的Qn代表原状态，Qn代表与原状态相反的状态，Qn1 代表时钟CP到达后的新状态。 5、计数器计数器产品种类多，可根据计数器的计数位数分类。如、四位二进制同步计数器，四位二进制异步计数器等。这里介绍的一种计数器为双向计数器，也可以叫做加减计数器，是四位二同步进制计数器，这种计数器有2个输入端口和1个输出端口，输出端口为U和D，即正旋计数和反旋计数，当有信号来到时，输入端口接收到脉冲信号，如果在U端口为1，那么计数器将执行加1操作，如果D端口为1，那么计数器进行减1操作。在执行操作

25、之后，计数器会将运行的结果送到输出端口。四位二进制的计数范围从0到10，计数器会以2进制进行加减，从0到1010。当计数器到10的时候，计数器的清0信号变为1，计数器清0，重新开始从0计数。这样便实现了循环计数。双向计数器真值表如下：UDOUT00保持10加101减1附：以一收录了电子报某些期关于数字电路及其应用的文章（有些无法找到配图，但仍具有一定的参考价值）：1999年电子报第20期组合电路和时序电路的应用：1.BCD码和数码显示电路数码显示在电子领域中处处需要、且制作十分容易，一装即成。图18是数码显示电路的原理框图。初学者通过制作数码显示电路还可学到数字电路很多的基本知识。（1）编码器

26、编码和译码是数字电路（包括工业控制、单片机和PC机）常用的一种手段。通过编译码器可以解决家电、工业和工程上的许多问题，也是初学者必须掌握的数字电路知识。所谓“编码”是指用若干数字或文字符号按照预先的约定（又称规定或定义）表示特定对象的过程。例如电信局给某用户编制了一个电话号码3245110，实际上就是把这个用户用代码3245110表示出来，这就是编码。日常生活中的一个数按一定的计数方式（制）写出来也叫编码，如写成十进制，就是按十进制编码；如果写成二进制，就是按二进制编码。一旦编码的规则定义后，由此派生的问题都应遵循编码的规定。例如十进制编码规定，十进制的一位数是按十个符号0、1、29来表示十种

27、不同的代码，若超过9的数，则用多位数表示，且低位和高位关系是“逢十进一”。在二进制中，每个数位（即二进制的1位）只能取两种不同的数码即“0”和“1”，其特点是：“逢二进一”，即当本位是1，又要再加1时，本位便成0，同时向高位进1，例如11=10。为了熟悉二进制的表示和运算规则，我们用四位二进制数码来表示十进制的一位数，并列成表，如附表所示。该表也是一种编码方式，这种编码就称为BCD码。所谓BCD码就是用二进制的编码表示十进制数。将四位二进制码一直加1时，还有六种状态，但按BCD码的约定，其余六种状态（1010、1011、1100、1101、1110、1111）对BCD码都是非法的，即在BCD码

28、中是不允许出现的。（2）位、字节这里顺便说说关于计算机技术中常见的专业用语：位、字节。计算机（包括单片机）中的“位”是指二进制数的位，常用bit表示，例如BCD码中的1001是4位。单片机中常处理8位二进制数，常把它定义成一个字节，常用Byte表示。单片机中的数据存储量，处理速度都是以字节为单位的。表示存储器容量的单位是kB，称为千字节（实际是1024个字节）。在计算技术中，为了说明计数方式是二进制数，常在二进制数后面加B，以与其它计数制区别，如BCD码中的1101B。1999年电子报第21期显示器件。显示器件是图18（上期连载图）框图电路的末级电路，是将输入数码还原成数字（这里是十进制）的。

29、显示器件有多种类型，各有特点，应按使用的场所选购。液晶显示器亮度不高但耗电小；荧光数码管亮度一般，耗电亦小，但工作电压较高（阳极电压12V、20V两种）；LED数码管亮度高，售价低但耗电较高（指笔段耗电约10mA）。这里主要介绍LED数码管显示器。市售的LED数码显示器其品种很多，以WD系列为例，其数显器的位数有一位、二位、三位和四位的；每位的外形尺寸和显示的颜色也有多种，如：红、绿、黄、橙等。这里以WD50系列为例说明其特点和用途。其外形尺寸如图19所示，主要参数如下：正向电压1.6V2.2V；功耗400mW，工作电流10mA；发光强度IV由具体型号而定，如WD506C（橙色）的IV为450

30、0cd、WD508C（红色超高亮）IV为13000cd（工作电流10mA的测试条件）。一位的LED数码显示器，其内部结构如图20所示，显示字时其笔段是些发光二极管，它们工作时可分共阳极（连接）如图20的（b）和共阴极（连接）如图20（a）两种。WD506A是共阳连接、WD506C是共阴极连接，其发光笔段引脚如图21所示。引脚按顶视图的1脚起，顺时针读数，其中5脚为小数点显示位DP，若不用可不连接。由于显示器的笔段数字是7段组成的（不计小数点），所以常称他们为LED 7段数码显示器。（4）BCD锁存/7段译码/驱动器。数码显示器与配套的驱动器集成器件一起工作。这些驱动器常称BCD7段译码器。不同

31、的显示器配用相应的驱动器件，如CD4055专配液晶显示用的。CD4547是BCD7段译码大电流驱动器，这些都属于BCD7段译码器。图18中配LED的驱动器，是用CD4543集成器件，该器件是一种可驱动LED的，也可驱动LCD的7段译码器。用CD4543驱动LED时的配接电路如图22所示。图中R1R7是LED的限流电阻。1999年电子报第22期 数码显示电路和学习数字集成电路的方法。以下继续介绍数码显示框图18的电路组成。在上期连载（六）的图22，已示出了数码显示电路中的BCD7段译码/驱动器和数码管LED的一种配套电路。从图22看出，数码管LED驱动器的输入端是BCD码信号。该信号可用CD45

32、18二/十进制同步加计数器的输出供给，如图23（a）所示。图23（b）中还示出了已介绍过的CD4543集成电路。在这里首先对初学者谈谈使用数字集成电路的方法，它与使用分立元件电路完全不同，使用前者时，应把握以下几点。1）学会查阅数字电路产品手册。从手册产品性能介绍中，查出数字电路的引脚功能。一般引脚功能分两大类，其一是输入与输出功能；其二是控制功能（包括被控和对外控制）。例如图23的（a）CD4518，该IC是一种同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为17和915。该计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚6脚；11脚

33、14脚）。此外还必须掌握其控制功能，否则无法工作。手册中给有控制功能的真值（又称功能表），即集成块的使用条件，如表2所示。从表2看出，CD4518有两个时钟输入端CP和EN，若用时钟上升沿触发，信号由CP输入，此时EN端应接高电平“1”，若用时钟下降沿触发，信号由EN端输入，此时CP端应接低电平“0”，不仅如此，清零（又称复位）端Cr也应保持低电平“0”，只有满足了这些条件时，电路才会处于计数状态，若不满足则IC不工作。计数时，其电路的输入输出状态如表3所示。值得注意，因表3输出是二/十进制的BCD码，所以输入端的记数脉冲到第十个时，电路自动复位0000状态（参看连载五）。另外，该CD4518

34、无进位功能的引脚，但从表3看出，电路在第十个脉冲作用下，会自动复位，同时，第6脚或第14脚将输出下降沿的脉冲，利用该脉冲和EN端功能，就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。由此可见充分利用真值表的特性，才能使用好数字电路。读者可以按照上述方法查出BCD7段译码/驱动器的CD4543输入、输出真值表，从表中学会电路的使用方法。由于篇幅有限，这里没有列出它的真值表。图24是LED数码显示框图18的部分电路图，图中引脚连接完全根据真值表的要求连接的。在图24电路的CD4518中，因设定CP端为时钟（计数）输入，所以EN端10脚接电源正端（高电平）；清零端Cr15脚通过R1接地为零电平，

35、电容C1是开机置Cr“1”电平清零用的。开机之后，C1不再起作用，由此可见，该IC的连接均符合表2的要求。只要从9脚输入计数脉冲，CD4518就输出BCD码。在CD4543中，LD（锁存控制）端1脚接电源正端（高电平），BI（消隐）端7脚、ph（L6CD用）6脚均接地电平，这些条件均符合CD4543真值表要求。由此可见，学习使用数字IC是以此真值表为依据的。1999年电子报第23期（6）斯密特42输入与非门CD4093。斯密特与非门又称斯密特触发器。该器件既可以像普通“与非”门那样工作，也可以接成斯密特触发器来使用。在数码显示电路中将用它作脉冲整形电路。图25是CD4093（IC）的引脚图，从

36、IC内部的逻辑符号和“与非”门的逻辑符号相比略有不同，增加了一个类似方框的图形，该图形正是代表斯密特触发器一个重要的滞后特性。当把CD4093两个输入端并接成非门时，它们的输入、输出特性如图26所示。其中图26的上部位置代表输入信号；图26的下部位置代表输出波形。从图中看出，当输入电压V1上升到VT电平时，触发器翻转，输出负跳变；过了一段时间输入电压回降到VT电平时，输出并不回到初始状态而需输入V1继续下降到VT电平时，输出才翻转至高电平（正跳变），这种现象称它为滞后特性，VTVT=VT。VT称为斯密特触发器的滞后电压。VT与IC的电源电压有关，当电源电压提高时，VT略有增加，一般VT值在3V

37、左右。因斯密特触发器具有电压的滞后特性，常用它对脉冲波形整形，使波形的上升沿或下降沿变得陡直；还可以用它作电压幅度鉴别。在数字电路中它也是很常用的器件。图27是一种用开关K产生单脉冲的原理图。当按下按键开关K时，我们虽然感觉不到开关触点的抖动，但是因实际存在抖动而使K的输出端产生多个脉冲，为了消除开关的抖动，使用了图28的消除开关抖动的电路。图中注明了电路的组成和各点的输出波形。电路中R1是上拉电阻。R2是C1的泄放电阻，R3、C1为常数，决定C点波形的前沿和后沿状态。R4、D1和R5是斯密特触发电路输入、输出必需的延迟反馈元件。该电路是一种消除开关抖动的单脉冲发生器典型电路。（7）CD406

38、0时钟脉冲发生器。CD4060（IC）是一种带有振荡器的14级分频器电路。用作振荡器时需外接R、C元件或石英晶体和电容器。如图29所示。有关CD4060的详细资料，本报已介绍过多次，这里不再重复。1999年电子报第24期（8）数码显示中的时钟信号。图30是数码显示的完整电路图。该电路是取自工程上一种多点检测控制箱的部分电路。由图可知，数码显示不仅可用在计数上，更多的还是其它用途。在图30中，IC1是数码显示用的时钟信号发生器，IC2是人工检测（数码显示）的单脉冲发生器电路，IC3是计数器，IC4是BCD7段译码器和LED的驱动器。CD4060（IC1）时钟信号发生器。数码显示用的时钟信号是由使

39、用场合决定的，如工厂中产品自动计数是由光电传感器产生时钟信号，在这里是由脉冲发生器IC1产生的时钟信号。该发生器的脉冲周期T=2.2R2C1，设置为两秒钟，即LED计数显示每两秒钟变化读数一次。电路中，CD4093（IC2）和开关K3共同组成供自检用的单脉冲发生器。触动一次K3，IC2的1脚接地一次，便在R4端产生一个脉冲（负的），为了消除开关通断的抖动，再利用斯密特与非门IC2对1脚上的脉冲信号整形，然后由IC2的10脚输出整形后的单脉冲信号（具体工作原理见上期介绍）。将开关K2闭合，由人工不断触动K3，IC210脚输出的信号加到IC3的CP端9脚，结果LED就显示出K3的闭合次数（09），

40、达到人工检测数显示电路是否正常工作的目的。若将IC1中的电阻R2用电位器（200k）代换，即可调节LED的显示速度。图31是数码显示的面板图。其中K1、K2是互锁按键开关，K3是不带锁的按键开关。工作时，按下“循测”键则自动计数显示；检测时按下“人工”键，再触动K3，LED就随K3触动而显示。1999年电子报第25期四、LED数码显示的应用已介绍过的数码显示电路只需配上相应的器件，就可组成多路监示的报警装置。图32是取自工程上一种10路报警系统的原理框图。其中的LED数码显示电路具有两种功能，1.发出BCD码，供多路报警循测开关的接通信号。设定每个开关接通两秒钟，然后断开，20秒钟一个接通循环

41、。2.LED显示09个数，用来指示各路报警传感器的位号，以便发出报警声时，用户可从LED上看出报警点的位置。以下分别介绍各框图的组成。有关LED数码显示电路已作过详细介绍，这里不再复述。1.CD4067模拟开关。数字电路中模拟开关是很有用的器件，用它来切换数字信号的传输是十分方便的。模拟开关的等效电路如图33所示。该图中0n是开关的位，A代表开关的公共端刀，它等效一个单刀多位开关。各开关的切换是由BCD码作指令，BCD码的每四位二进制码可对应一个开关的接通，其余开关都断开。各开关都可双向传输信号，即各开关允许从n线到1线的信号传送（输入/输出）或1线到n线的分离（输出/输入），以及允许信号的并

42、/串转换。开关所需的BCD码由外部电路产生，并称BCD码为外部地址输入信号。图34是一种集成模拟开关器件CD4067的引脚图。CD4067是单16路（单刀16位）模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、11、14和13是地址码A、B、C、D的输入端；脚211和1623是开关的输入/输出端（开关位）；脚1是开关的输出/输入公共端（开关刀）；脚15为控制端，低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）。CD4067的真值表如附表所示。4位二进制码A、B、C、D共有16种状态，所以可以控制16个开关的通断。从真值表上看出，CD4067的工作方式和图33介绍的完全相同，

43、不过实际的IC多了一个控制端口15INH。这种模拟开关具有低的导通电阻和高的断开电阻，被传输的数字信号幅度为3V15V。2.多路报警传感器和讯响器这里各路设置的报警传感器依用户按要求设定，所以难以详细介绍，不过可以介绍其要求。不管设置何种传感器，如防盗的振动或断线传感器；防火的感烟传感器；家用或商用的燃气气敏传感器等，都要作数字化处理，即报警时，传感器的输出应输出高电平（12V），以保证传感器的报警信号可以远距离传送。如图35防盗的断线传感器，当A、B两点的布线一旦断开，A点就输出高电平（12V）的报警信号，再通过CD4067的输出到讯响器上。报警用的高响度讯响器，本报均有过介绍。本10路报警

44、装置与CD4067有关的电路如图36所示。它可用于仓库、石油液化站，当然也可以用于多居室别墅的防盗系统，不同的场所使用不同种类的传感器。各传感器设在需要的地方，报警电路安装在一个箱内作为监测箱挂在室内（工程上称为中心控制室）。一旦出现报警声，从监测箱的LED显示中即可查到报警位置。值得注意，因CD4067的外部地址码是二/十进制的BCD码，所以控制的报警路数最多10路，余有6路空着不同。实际使用时，也可按需要设置报警路数，这种情况下，由LED数码显示电路产生的10路循测信号也无需更改，未用上的循测信号，作空位运行。六集成电路的分类数字电路根据分类方式的不同通常有以下3种分类方法。1.按器件结构

45、类型分类 1).双极集成电路：主要由双极晶体管构成 只含NPN型晶体管的双极集成电路（数字电路） 含NPN型及PNP型晶体管的双极集成电路（模拟电路） 2).金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS) 双极-MOS 3).(Bi-MOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi-MOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂2.规摸大小通常按集成度或每个芯片的门数来划分。 1).集成电路规模的划分按集成电路规模分类: 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small

46、 Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） 尽管英语中有VLSI，ULSl和GSI之分，但VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。3.按逻辑功能分类数字电路若按逻辑功能来分，可以分成组合逻辑电路，简称组合电路，如

47、各种门电路，各种编译码器；时序逻辑电路，简称为时序电路，如各种触发器、各种计数器、各种寄存器等七因为本专业方向为集成电路的设计，以下将介绍一下在集成电路中关于集成电路设计方面的知识：1.首先介绍一下如何做好IC设计？如何提高自己的设计能力？IC设计不同于一般的板级电子设计，由于流片的投资更大，复杂度更高，系统性更强，所以学习起来也有些更有意思的地方。 以下是这一IC前辈的经验之谈。首先，作为初学者，需要了解的是IC设计的基本流程。应该做到以下几点：基本清楚系统、前端、后端设计和验证的过程，IC设计同半导体物理、通信或多媒体系统设计之间的关系，了解数字电路、混合信号的基本设计过程，弄清楚ASIC

48、，COT这些基本的行业模式。窃以为这点对于培养兴趣，建立自己未来的技术生涯规划是十分重要的。学习基本的设计知识，建议读一下台湾CIC的一些设计教材，很多都是经典的总结。 EDA技术的学习：对于IC设计者来说，EDA工具意义重大，透过EDA工具商的推介，能够了解到新的设计理念。国内不少IC设计者，是单纯从EDA的角度被带入IC设计领域的，也有很多的设计者在没有接触到深亚微米工艺的时候，也是通过EDA厂家的推广培训建立基本概念。同时，对一些高难度的设计，识别和选择工具也是十分重要的。如果希望有较高的设计水平，积累经验是一个必需的过程。经验积累的效率是有可能提高的。以下几点可以参考： 1、学习借鉴一

49、些经典设计，其中的许多细节是使你的设计成为产品时必需注意的。有些可能是为了适应工艺参数的变化，有些可能是为了加速开关过程，有些可能是为了保证系统的稳定性等。通过访真细细观察这些细节，既有收益，也会有乐趣。项目组之间，尤其是项目组成员之间经常交流，可避免犯同样错误。 2、查文献资料是一个好方法。同老师傅一同做项目积累经验也较快。如果有机会参加一些有很好设计背景的人做的培训，最好是互动式的，也会有较好的收获。 3、当你初步完成一项设计的时侯，应当做几项检查：了解芯片生产厂的工艺, 器件模型参数的变化,并据此确定进行参数扫描仿真的范围。了解所设计产品的实际使用环境，正确设置系统仿真的输入条件及负载模

50、型。严格执行设计规则和流程对减少设计错误也很有帮助。 4、另外，你需要知识的交流，要重视同前端或系统的交流，深刻理解设计的约束条件。作为初学者，往往不太清楚系统，除了通过设计文档和会议交流来理解自己的设计任务规范，同系统和前端的沟通是IC设计必不可少的。所谓设计技巧，都是在明了约束条件的基础上而言的，系统或前端的设计工程师，往往能够给初学者很多指导性的意见。 5、重视同后端和加工线的交流：IC设计的复杂度太高，除了借助EDA工具商的主动推介来建立概念之外，IC设计者还应该主动地同设计环节的上下游，如后端设计服务或加工服务的工程师，工艺工程师之间进行主动沟通和学习。对于初学者来说，后端加工厂家往

51、往能够为他们带来一些经典的基本理念，一些不能犯的错误等基本戒条。一些好的后端服务公司，不仅能提供十分严格的Design Kit，还能够给出混合信号设计方面十分有益的指导，帮助初学者走好起步之路。加工方面的知识，对于IC设计的产品化更是十分关键。; 6、重视验证和测试，做一个偏执狂：IC设计的风险比板级电子设计来的更大，因此试验的机会十分宝贵，偏执狂的精神，对IC设计的成功来说十分关键。除了依靠公司成熟的设计环境，Design Kit和体制的规范来保证成功之外，对验证的重视和深刻理解，是一个IC设计者能否经受压力和享受成功十分关键的部分。由于流片的机会相对不多，因此找机会更多地参与和理解测试，对

52、产品成功和失败的认真总结与分析，是一个IC设计者成长的必经之路。同行交流以及工作环境的重要性：IC设计的复杂性和技术的快速发展，使得同行之间的交流十分关键，多参与一些适合自己水平的讨论组和行业会议，对提高水平也是十分有益的。通过同行之间的交流，还可以发现环境对于IC设计水平的重要影响。公司的财力，产品的方向，项目的难度，很大程度上能够影响到一个设计者能够达到的最高水平。辩证地认识自己的技术提高和环境之间的相互关系，将是国内的设计者在一定的阶段会遇到的问题。八前端设计与后端设计前端是指逻辑部分，后端是指物理层的设计 前端是从芯片要求开始设计内部的逻辑一般得到门电路（于非门等）的设计就可以了，不管

53、再往下如何实现后端是指假设逻辑设计已经完成，如何做出最后的芯片，涉及到芯片内部如何分区，如何布线，模拟部分，寄生效应等等两者有联系又不同.1. IC前端设计：1）.系统集成芯片（SoC）是IC设计的发展趋势 （1）随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，超大规模集成电路和集成度和工艺水平不断提高，深亚微米（deep-submicron）工艺，如0.18m、0.13m已经走向成熟，使得在一个芯片上完成系统级的集成已成为可能。 （2）各种电子系统出于降低成本、减少体积的要求，对系统集成提出了更高的要求。 （3）高性能的EDA工具得到长足发展，其自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设计提供了

54、功能强大的开发集成环境。 （4）计算机硬件平台性能大幅度提高，使得很复杂的算法和方便的图形界面得以实现，为复杂的SoC设计提供了物理基础。2）、何为嵌入式SoC IC SoC(SYSTEM on Chip)是指集系统性能于一块芯片上的系统级芯片。它通常含有一个微处理器核（CPU），有时再增加一个或多个DSP核，以及多个或几十个的外围特殊功能模块和一定规模的存储器（RAM、ROM）等。嵌入式SoC更是针对应用所需的性能，将其设计在芯片上而成为系统操作芯片。芯片的规模常常可以达到数百万门甚至上千万门以上，所以嵌入式SoC是满足应用的系统级的集成电路产生，一方面要满足复杂的系统性能的需要，另一方面也

55、要满足市场上日新月异的对新产品的需求，因此嵌入式SoC的设计也代替了高科技的设计方法和程序。只有在不断地发展优化下，嵌入式SoC才能提供设计周期短而性能优异的产品。因此，要掌握嵌入式系统芯片的设计，就要了解其设计方法和流程。3）、嵌入式SoC IC的设计方法和流程 在介绍SoC IC的设计流程之前，先介绍一下“重用”的概念。 “重用”（re-use）指的是在设计新产品时采用已有的各种功能模块，即使进行修改也是非常有限的，这样，可以减少设计人力和风险，缩短设计周期，确保优良品质。 SoC IC的设计原则，就是尽可能重用各种功能模块并集成为所需的系统级芯片。读到设计重用，必须对重用时需要考虑的因素

56、作一些说明。首先，重用的功能模块要有详尽的说明书，对模块的功能和适用范围以及芯片集成时的总线接口进行说明。其次，要提供该模块过去已实现的生产工艺。第三，要提供用于测试该模块的测试程序及测试平台。最后，也是最重要的，就是模块的设计内核。通常提供的设计分为“软模块”和“硬模块”两种。“软模块”只提供RTL语言描述，可以用EDA综合工具产生电路。它的优点是比较灵活，可以根据不同的生产工艺产生对应的电路。“硬模块”提供的是已经完成的电路物理设计（physical design），也就是版图的设计（layout）。它的缺点是一旦生产工艺改变就不能够再使用了，即使是在采用同样生产工艺的情况下，由于模块的物理尺寸已经确定因而也影响了布局（floor-