高中物理 第三章 从电表电路到集成电路 3

高中物理 第三章 从电表电路到集成电路 3

集成电路的分类及使用 ‎ 概述 ‎　集成电路是一种采用特殊工艺，将晶体管、电阻、电容等元件集成在硅基片上而形成的具有一定功能的器件，英文缩写为IC，也称芯片。集成电路是60年代出现的，当时只集成了十几个元器件。 后来集成度越来越高，也有了今天的P－III。‎ ‎　　分类 ‎　　集成电路根据不同的功能用途分为模拟和数字两大类别，而具体功能更是数不胜数，其应用遍及人类生活的方方面面。集成电路根据内部的集成度分为大规模、中规模、小规模三类。其封装又有许多形式。“双列直插”和“单列直插”的最为常见。消费类电子产品中用软封装的IC，精密产品中用贴片封装的IC等。‎ ‎　　对于CMOS型IC，特别要注意防止静电击穿IC，最好也不要用未接地的电烙铁焊接。使用IC也要注意其参数，如 工作电压，散热等。数字IC多用＋5V的工作电压，模拟IC工作电压各异。集成电路有各种型号，其命名也有一定规律。一般是由前缀、数字编号、后缀组成。前缀表示集成电路的生产厂家及类别，后缀一般用来表示集成电路的封装形式、版本代号等。常用的集成电路如小功率音频放大器LM386就因为后缀不同而有许多种。LM386N是美国国家半导体公司的产品，LM代表线性电路，N代表塑料双列直插。‎ ‎　　集成电路型号众多，随着技术的发展，又有更多的功能更强、集成度更高的集成电路涌现，为电子产品的生产制作带来了方便。在设计制作时，若没有专用的集成电路可以应用，就应该尽量选用应用广泛的通用集成电路，同时考虑集成电路的价格和制作的复杂度。在电子制作中，有许多常用的集成电路，如NE555‎ ‎（时基电路）、LM324（四个集成的运算放大器）、TDA2822（双声道小功率放大器）、KD9300（单曲音乐集成电路）、LM317（三端可调稳压器）等。‎ ‎　　这里有些集成电路的样子：‎ ‎　　标准的双列直插集成电路：  　　标准的单列直插集成电路：‎ ‎　　  　　  　　　‎ 集成电路介绍 ‎　　集成电路IC是封在单个封装件中的一组互连电路。装在陶瓷衬底上的分立元件或电路有时还和单个集成电路连在一起，称为混合集成电路。把全部元件和电路成型在单片晶体硅材料上称单片集成电路。单片集成电路现在已成为最普及的集成电路形式，它可以封装成各种类型的固态器件，也可以封装成特殊的集成电路。‎ ‎　　通用集成电路分为模拟（线性）和数字两大类。模拟电路根据输入的各种电平，在输出端产生各种相应的电平；而数字电路是开关器件，以规定的电平响应导通和截止。有时候集成电路标有LM（线性类型）或DM（数字类型）符号。‎ ‎　　集成电路都有二或三个电源接线端：用VCC、VDD、VSS、+V、-V或GND来表示。这是一般应用所需要的。‎ ‎　　双列直插式是集成电路最通用的封装形式。其引脚标记有半圆形豁口、标志线、标志圆点等，一般由半圆形豁口就可以确定各引脚的位置。双列直插式的引脚排列图如图T306所示。‎ ‎　　集成电路命名方法 ‎　　集成电路命名方法见表B312‎ ‎　　使用TTL集成电路与CMOS集成电路的注意事项 ‎　　(1)使用TTL集成电路注意事项 ‎　　①TTL集成电路的电源电压不能高于＋5.5V使用，不能将电源与地颠倒错接，否则将会因为过大电流而造成器件损坏。‎ ‎　　②电路的各输入端不能直接与高于＋5.5V和低于-0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源能提供较大的电流，导致器件过热而烧坏。‎ ‎　　③除三态和集电极开路的电路外，输出端不允许并联使用。如果将 图T306双列直插集电极开路的门电路输出端并联使用而使电路具有线与功能时，应在其输出端加一个预先计算好的上拉负载电阻到VCC端。‎ ‎　　④输出端不允许与电源或地短路。否则可能造成器件损坏。但可以通过电阻与地相连，提高输出电平。‎ ‎　　⑤在电源接通时，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击可能会造成其永久性损坏。‎ ‎　　⑥多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平，并不影响与非门的逻辑功能，但悬空容易受干扰，有时会造成电路的误动作，在时序电路中表现更为明显。因此，多余输入端一般不采用悬空办法，而是根据需要处理。例如：与门、与非门的多余输入端可直接接到VCC上；也可将不同的输入端通过一个公用电阻（几千欧）连到VCC上；或将多余的输入端和使用端并联。不用的或门和或非门等器件的所有输入端接地，也可将它们的输出端连到不使用的与门输入端上。如图T307所示。‎ 对触发器来说，不使用的输入端不能悬空，应根据逻辑功能接人电平。输入端连线应尽量短，这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线的延迟时间。一般不允许将触发器的输出直接驱动指示灯、电感负载、长线传输，需要时必须加缓冲门。‎ ‎　　（2）使用CMOS电路的注意事项 ‎　　CMOS集成电路由于输入电阻很高，因此极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿，生产CMOS时，在输入端都要加上标准保护电路，但这并不能保证绝对安全，因此使用CMOS集成电路时，必须采取以下预防措施。‎ ‎　　①存放CMOS 集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，也可以用金属箔将引脚短路。‎ ‎　　②CMOS集成电路可以在很宽的电源电压范围内提供正常的逻辑功能，但电源的上限电压（即使是瞬态电压）不得超过电路允许极限值、…电源的下限电压（即使是瞬态电压）不得低于 系统工作所必需的电源电压最低值Vmin，更不得低于VSS。‎ ‎　　③焊接CMOS集成电路时，一般用20Ｗ内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地线。也可以利用电烙铁断电后的余热快速焊接。禁止在电路通电的情况下焊接。‎ ‎　　④为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须处在VDD 和VSS之间，即VSS＜ｕ1＜VDD。‎ ‎　　⑤调试CMOS电路时，如果信号电源和电路板用两组电源，则刚开机时应先接通电路板电源，后开信号源电源。关机时则应先关信号源电源，后断电路板电源。即在CMOS本身还没有接通电源的情况下，不允许有输入信号输入。‎ ‎　　⑥多余输入端绝对不能悬空。否则不但容易受外界噪声干扰，而且输入电位不定，破坏了正常的逻辑关系，也消耗不少的功率。因此，应根据电路的逻辑功能需要分别情况加以处理。例如：与门和与非门的多余输入端应接到VDD或高电平；或门和或非门的多余输入端应接到VSS或低电平；如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功耗时，也可以将多余的输入端和使用端并联。如图T308所示。‎ ‎　　以上所说的多余输入端，包括没有被使用但已接通电源的CMOS电路所有输入端。例如，一片集成电路上有4个与门，电路中只用其中一个，其它三个门的所有输入端必须按多余输入端处理。‎ ‎　　⑦输入端连接长线时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡，可能使输入保护二极管损坏，因此必须在输入端串接一个10~20kΩ的保护电阻R，如图T309所示。‎ ‎　　⑧CMOS 电路装在印刷电路板上时，印刷电路板上总有输入端，当电路从机器中拔出时，输入端必然出现悬空，所以应在各输入端上接入限流保护电阻，如图T309所示。如果要在印刷电路板上安装CMOS集成电路，则必须在与它有关的其它元件安装之后再装CMOS电路，避免CMOS器件输入端悬空。‎ ‎　　⑨插拔电路板电源插头时，应该注意先切断电源，防止在插拔过程中烧坏CMOS的输入端保护二极管。‎ 语音集成电路 ‎　电子制作中经常用到音乐集成电路和语言集成电路，一般称为语言片和音乐片。它们一般都是软包封，即芯片直接用黑胶封装在一小块电路板上。语音IC一般还需要少量外围元件才能工作，它们可直接焊到这块电路板上。  ‎ ‎　　别看语音IC应用电路很简单，但是它确确实实是一片含有成千上万个晶体管芯的集成电路。其内部含有振荡器、节拍器、音色发生器、ROM、地址计算器和控制输出电路等。 音乐片内可存储一首或多首世界名曲，价格很便宜，几角钱一片。音乐门铃都是用这种音乐片装的，其实成本很低。‎ ‎　　不同的语言片内存储了各种动物的叫声，简短语言等，价格要比音乐片贵些。但因为有趣，其应用越来越多。 会说话的计算器、倒车告警器、报时钟表等。语音电路尽管品种不少，但不能根据用户随时的要求发出声音， 因为商品化的语音产品采用掩膜工艺，发声的语音是固定的，使成本得到了控制。‎ ‎　　一般语音集成电路的生产厂家都可以特别定制语音的内容，但因为要掩模，要求数量千片以上。近年来出现的OTP语音电路解决了这一问题。OTP就是一次性可编程的意思，就是厂家生产出来的芯片，里面是空的，内容由用户写入（需开发设备），一旦固化好，再也不能擦除，信息也就不会丢失。它的出现为开发人员试制样机提供了方便，特别适合于小批量生产。‎ ‎　　业余制作采用可录放的语言电路是十分方便的，UM5506、ISD1400、ISD2500等，外围元件极少。bitbaby第一次知道可录放语音集成电路，是在90年代的无线电杂志上，记得那时是UM5101和T6668，都是用41256等DRAM 的。那时多想有那么一套，不用磁带就可以录音的怪物，还能在放音时随意变调呢。早期的数码留言机也用它们，由于使用DRAM，如果没有后备电池，一旦断电后，所有的信息都会丢失。 ‎ ‎　　现在采用EEPROM的语音电路大大方便了电子爱好者，它随录随放，不怕掉电，使用方便，外围元件少。只是价格较贵些，每秒钟成本约1元人民币。这类语音录放集成电路首推（美国）ISD公司的ISD系列。国内、台湾都有厂家生产兼容的芯片及软包封的芯片、模块，但从结构来看，猜想来自于ISD。‎ ‎　　如果您对语音集成电路很感兴趣，请密切留意bitbaby的网站。为了让您更好地了解语音IC，bitbaby以后将把精心收集的语音IC应用图集贴到网上来，以方便您查询使用。‎ ‎　　这是软包封的ISD1420芯片：‎ 数字集成电路 ‎　　数字集成电路产品的种类很多。数字集成电路构成了各种逻辑电路，如各种门电路、编译码器、触发器、计数器、寄存器等。它们广泛地应用在生活中的方方面面，小至电子表，大至计算机，都是由数字集成电路构成的。‎ ‎　　结构上，可分成TTL型和CMOS型两类。74LS/HC等系列是最常见的TTL电路，它们使用5V的电压，逻辑“0”输出电压为小于等于0.2V，逻辑“1”输出电压约为3V。CMOS数字集成电路的工作电压范围宽，静态功耗低，抗干扰能力强，更具优点。数字集成电路有个特点，就是它们的供电引脚，如16脚的集成电路，其第8脚是电源负极，16脚是电源正极；14脚的，它的第7脚是电源的正极。‎ ‎　　通常CMOS集成电路工作电压范围为3~18V，所以不必像TTL集成电路那样，要用正正好好的5V电压。CMOS集成电路的输入阻抗很高，这意味着驱动CMOS集成电路时，所消耗的驱动功率几乎可以不计。同时CMOS集成电路的耗电也非常的省，用CMOS集成电路制作的电子产品，通常都可以用干电池供电。‎ ‎　　CMOS集成电路的输出电流不是很大，大概为10mA左右，但是在一般的电子制作中，驱动一个LED发光二极管还是没有问题的。此外，CMOS集成电路的抗干扰能力也较强，即行话所说的噪声容限较大，且电源电压越高，抗干扰能力越强。‎ ‎　　电子制作中常用的数字集成电路有4001、4011、4013、4017、4040、4052、4060、4066等型号，建议多买些备用。市场上的数字集成电路进口的较多，产品型号的前缀代表生产公司，常见的有MC1XXXX（摩托罗拉）、CDXXXX（美国无线电RCA）、HEFXXXX（飞利浦）、TCXXXX（东芝）、HCXXXX（日立）等。一般来说，只要型号相同，不同公司的产品可以互换。‎ ‎　　需要注意的是，CMOS集成电路容易被静电击穿，因此需要妥善保存。一般要放在防静电原包装条中，或用锡箔纸包好。另外焊接的时候，要用接地良好的电烙铁焊接，或者索性拔掉插头，利用余热焊接。不过说实话，现在的CMOS集成电路因为改进了生产工艺，防静电能力都有很大提高，不少人都不太注意为CMOS集成电路防静电，IC却也活着。‎ ‎　　模拟集成电路 ‎　　模拟集成电路被广泛地应用在各种视听设备中。收录机、电视机、音响设备等，即使冠上了“数码设备”的好名声，却也离不开模拟集成电路。 　　实际上，模拟集成电路在应用上比数字集成电路复杂些。每个数字集成电路只要元器件良好，一般都能按预定的功能工作，即使电路工作不正常，检修起来也比较方便，1是1，0是0，不含糊。模拟集成电路就不一样了，一般需要一定数量的外围元件配合它工作。那么，既然是“集成电路”，为什么不把外围元件都做进去呢？这是因为集成电路制作工艺上的限制，也是为了让集成电路更多地适应于不同的应用电路。‎ ‎　　对于模拟集成电路的参数、在线各管脚电压，家电维修人员是很关注的，它们就是凭借这些判断故障的。对业余电子爱好者来说，只要掌握常用的集成电路是做什么用的就行了，要用时去查找相关的资料。 ‎