读者信箱

🏠 首页 《无线电》杂志 1982年 🔗 第8期 🔗 第32页 分类:光电控制小实验 🔗 路民峰 🔗

读者来信问:大规模集成电路内部的元器件数要比中小规模集成电路的多几百倍甚至上千倍,为什么大规模集成电路的功耗很低而且价格也并不成比例增加?

打开电子手表一看,里面元件寥寥无几。而起电子手表心脏作用的大规模集成电路却并不简单,一个小小的硅片上制作了成百上千个管子呢!可是如此复杂的大规模集成电路工作时所消耗的电能却极为微小,用一个钮扣样的银锌电池就可连续工作数年。为什么大规模集成电路有如此突出的优点呢?这是因为几乎绝大部分的大规模集成电路采用的都是MOS器件,而且线路结构又大多是互补形式。所以:1.MOS器件的栅极输入阻抗一般可高达10\(^{9}\)欧以上,因此栅极回路在电路整个工作过程中都可以认为不需要消耗电能;2.大规模集成电路几乎都是脉冲电路,即通常所说的数字电路。其中器件除了在信号变化的瞬间外,其余时候都只能有两个状态——通导或截止。在截止时器件是不消耗电能的;而通导时则要看负载电阻有多大。如若负载电阻为无限大,则也可认为器件不消耗电能。图1即负载为R\(_{L}\)的MOS线路。3.大规模集成电路绝大部分都是采用互补形式的线路。所谓互补就是将两种不同极性的MOS管串接使用,一管为另一管的负载,一管截止则另一管通导,反之亦然。图2所示便是利用P-MOS管和N-MOS管连接成的互补线路。在图2中,当输入Vg为高电平时,P-MOS管截止而N-MOS管正好相反为通导;当输入为低电平时,P-MOS管通导而N-MOS管变为截止。N-MOS管是P-MOS管的负载;而P-MOS管又反过来是N-MOS管的负载。由于截止时的MOS管输出阻抗近似为无限大,所以无论是P-MOS管通导还是N-MOS管通导,都可认为不消耗电能。因此大规模集成电路只有器件在电平转换的瞬间才消耗电能,所以大规模集成电路功耗极微。

图1
图1 🔍原图 (390×275)

近年来由于电子工业飞速发展,集成电路加工技术不断进步,从而使得在小小一个硅片上集成上千成万个元件已不是件难事;同时由于元件是在芯片内部集成,所以可简化线路和逻辑结构。因此芯片的成本不断下降,而相应的封装,测试、企业管理等占成本的比例就逐渐上升,所以同样封装型式的集成电路,大规模电路一般售价仅为小规模电路的3~10倍,而集成度却要高出100~1000倍。此外,读者通常接触到的与非门、触发器等小规模集成电路有很多是双极型电路(即NPN晶体三极管集成),这种电路的制造工艺比起MOS电路来要复杂些,所以虽是小规模集成电路而售价却相对较高。(路民峰)