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数字IC技术和逻辑电路族
逻辑电…电子技术——数字IC技术逻辑电路和设计方法
在我们之前的学习中我们学习了CMOS技术然而CMOS技术并不是唯一的数字逻辑技术因此本节系统的介绍当今使用的数字技术和逻辑电路族。
数字IC技术和逻辑电路族
逻辑电路族指的是使用相同技术具有相同结构以及基本特性的所有的逻辑门电路。每一中数字IC技术和逻辑电路族都有其独特的优点和缺点。通常在一个模块或者是封装中只使用一种数字IC技术和逻辑电路族。因此若一个数字系统使用两个以上的数字IC技术和逻辑电路族则设计师需要设计相应的接口电路。选择适合的数字IC技术和逻辑电路族需要考虑到灵活性、响应速度、功率耗散、费用等待方面。
下图展示了如今常用的数字IC技术和逻辑电路族 CMOS
虽然CMOS具有四个分支但这并不表明CMOS独占所有的数字IC的市场份额。CMOS技术占有大部分的数字IC技术主宰现代数字IC技术适用于所有的数字IC电路设计。尽管早期微处理器使用NMOS电路之后CMOS完全替代了NMOS逻辑电路。主要是因为CMOS具有极低的功率耗散同时CMOS也快速占领了BJT的数字逻辑电路的份额加快了IC微型化的发展这是BJT很难做到的。CMOS能取代BJT主要是因为
CMOS比BJT具有更低的功率耗散而且可以在相同的IC中包含更多的CMOS电路。CMOS极高的输入阻抗可以实现临时的电荷保持这可以实现双向逻辑和记忆储存电路。这项技术不适用于BJT。CMOS的器件尺寸逐年降低比起BJT具有更大的集成度。
最常见的CMOS电路的分支就是我们在上一章学过的互补MOS逻辑电路适用于 小规模集成电路SSI 包含1-10个逻辑门 中等模集成电路MSI 包含10-100个逻辑门 超大规模集成电路VLSI 包含上百万个逻辑门和记忆存储电路中。CMOS电路通常具有两个其他的分支其一是伪NMOS电路其二是通道晶体管逻辑。我们将在之后介绍这些。
CMOS技术的第四个分支是动态逻辑其具有很高的响应速度并且保持较低的功率耗散。除此之外CMOS技术还广泛应用于记忆存储芯片中。这两个我们将在之后一一介绍。
BJT
对于BJT最主要的两个逻辑电路族为TTL和ECL。晶体管-晶体管逻辑TTL广泛应用于数字逻辑电路。但是随着超大规模集成电路的出现占比也在下降。TTL厂商也在致力于解决低功耗和高速问题。在一些新技术中通过阻止BJT进入饱和区并且快关技术使得BJT得以实现高速逻辑电路。不会饱和的BJT使用肖特基二极管。尽管如此BJT也会逐渐被CMOS取代因此TTL电路不会在本书中介绍。
另外一种BJT数字电路技术称为发射极耦合逻辑ECL。基于电流源开关反相器。ECL的基本结构是一个BJT差分对。因为ECL通常使用在电流舵逻辑中也称为 电流模式逻辑CML BJT的饱和可以被避免因此可以实现高速操作。实际上在所有的商用逻辑电路中ECL是最快的。通常ECL也被设计在超大规模集成电路中在硅面积和功耗允许的情况下用来实现特定的高速操作。
BiCMOS
BiCMOS技术结合了CMOS的优点和BJT的优点。像CMOS一样BiCMOS也允许在同一芯片中实现模拟和数字电路同时BiCMOS在某些领域取得了重大的突破例如在高性能高速电容电流驱动器中。
砷化镓GaAs
极高的载流能力使得GaAs可以实现极高速的操作。许多数字电路逐渐开始使用砷化镓技术。但是需要注意的是砷化镓仍然属于新型技术虽然具有极大的潜力但是还并没有完全投入商业使用。因此本书也不会介绍砷化镓技术。
数字电路设计风格
传统的数字电路设计包括使用标准封装的IC来实现数字系统。但是虽然超大规模集成电路的出现使得设计师可以直接使用现成的组件例如微控制器和储存芯片这种设计方法可以使用一个或多个定制的VLSI芯片。然而这种方法通常只使用在大规模产品设计中。
另外一种方案称为半定制设计使用门阵列芯片其中包括超过100000个未连接的逻辑门电路。最后的逻辑门连接根据客户定义的模式和实现通过最后一步金属化通常由IC厂家完成来完成。另一种称为 现场可编程门阵列FPGA 的技术逐渐变得可用正如它的名字所暗示的可以直接让用户进行编程。FPGA提供了更加方便的方式来实现复杂的逻辑电路并且减小了VLSI的中间花费和周转时间。
抽象设计和计算机辅助
无论是设计什么样的数字系统使用抽象设计和计算机辅助几乎是必要的。为了说明抽象设计理念我们考虑使用现成封装的逻辑门来实现我们的数字系统。设计师查阅datasheet来确定逻辑门的输入输出特性和扇入扇出限制等。设计师只需要根据封装好的逻辑门的操作特性来进行设计而不需要知道数字IC内部的实现。实际上此时我们把现成的IC看做是是一个黑盒函数作为组件。这极大的简化了数字电路的设计。设计师可以继续根据抽象设计过程来设计更多的组件称为 标准单元 。这些标准单元可以组成更大的子系统例如加法器和乘法器再组成更大的系统例如处理器。
计算机辅助设计IC可以让设计IC的工作更加方便。抽象设计和计算机辅助使得设计超大规模集成电路称为可能。而对于模拟IC来说使用抽象设计几乎是不可能的。每一个模拟IC都必须手动设计也就是必须考虑模块内部的实现和模块与模块之间的影响。因此模拟IC的集成度和复杂度都远不如数字IC。
