从二极管到集成电路

——基本门电路的主要参数

基本门电路的参数有直流参数和交流参数之分，下面以业余制作中常用到的TTL与非门电路为例，来介绍基本门电路的主要参数。

1．空载功耗P\(_{CC}\)。集成电路的功耗大小与负载有关，接负载时大，不接时小；也与工作频率有关，频率高、要求开关次数多，功耗就大，反之就小。为此，手册中往往只给出空载功耗PCC，这是指数字集成电路不带负载时的功耗。

由于输入端电位的高低，会影响到电路内管子的工作状态，从而影响到功耗大小，因而规定P\(_{CC}\)时还必须说明输入电位的高低。当输入端均处于高电平时，如图1a，这时电路处于导通状态，功耗较大，称导通功耗PCCL，测量通导电源电流I\(_{CCL}\)，就可按公式PCCL=I\(_{CCL}\)·VCC算得P\(_{CCL}\)。当输入端为低电平时，如图1b，电路处于截止状态，功耗较小，称截止功耗PCCH，这时测得I\(_{CCH}\)叫做截止电源电流，PCCH=I\(_{CCH}\)·VCC。所以一般手册中常给出I\(_{CCL}\)和ICCH，也同样能说明电路功耗大小。

2．低电平输入电流I\(_{IL}\)，高电平输入电流IIH。低电平输入电流I\(_{IL}\)是指一个输入端接地，其余输入端开路时，流向接地端的电流，如图2a将输入端逐个接地测量。这一电流实际上是流入前一级门电路的负载电流，太大了会增加前一级的负载，使前一级能驱动的门数减少。

I\(_{IH}\)是当一个输入端接高电平，其余输入端均接地时测得的输入电流，如图2b，称为高电平输入电流，IIH值越小越好，I\(_{IH}\)不合格的输入端应将引线剪去。

3．输出高电平V\(_{OH}\)，输出低电平VOL。如图3a将输入端逐个接地（或接0.8V），使电路处于截止状态，输出端空载，测得为输出高电平V\(_{OH}\)，一般TTL电路应为VOH≥2.4V。如图3b将输入端逐个接高电平（V\(_{in}\)=1.8V），使电路处于导通状态，输出为低电平VOL，一般为V\(_{OL}\)≤0.4V。

4．开门电平V\(_{K}\)和关门电平Vg。按图3b，将输入电平V\(_{in}\)从0V逐渐增加，当电路导通、输出端刚达到低电平VOL时的输入电平，叫做开门电平V\(_{K}\)；反之，按图3a，将输入电平由大减小，当输出端刚达到高电平VOH时的输入电平，叫做关门电平V\(_{g}\)。

上述输入、输出电平间的关系，可用图4电压传输特性曲线表示。图中曲线拐点A处对应关门电平V\(_{g}\)，拐点B处对应开门电平VK。点划线为理想传输特性曲线。图4曲线说明：当输入电平V\(_{in}\)＜Vg时，电路关断，输出高电平V\(_{OH}\)，关门电平Vg是保持V\(_{OH}\)的最大输入电平，超过Vg值电路将翻转。而当V\(_{in}\)＞VK时，电路开通，输出低电平V\(_{OL}\)，故VK是保持VOL的最小输入电平，低于V\(_{K}\)值电路亦将翻转。显然，曲线AB段越陡（即愈接近理想曲线），说明电路开关速度越快。

5.扇入系数N\(_{i}\)和扇出系数No。能使电路正常工作的输入端数叫做扇入系数N\(_{i}\)，例如有三个输入端的与非门，其扇入系数Ni=3。扇出系数N\(_{o}\)是指电路所能可靠地驱动同类型门电路的数目，它表示电路输出端负载能力的大小。例如扇出为3的与非门，是指这个与非门能直接驱动相同类型的3个门电路。扇出在这里表示驱动的意思。

数字集成电路交流参数中最主要的是传输延迟时间。

我们知道，无论二极管或晶体管，当有信号通过时都会产生一定时间的延迟，即输出信号会比输入信号晚一些时间出现，这叫信号传输延迟时间，有时简称延迟，对于门电路也不例外。这项参数是衡量电路开关速度的一个重要指标，手册中通常用毫微秒（ns）表示。

图5中V\(_{i}\)为门电路的输入信号波形，输出信号波形Vo相对于V\(_{i}\)一有定延迟。我们把Vo波形下降边的50％点相对于V\(_{i}\)波形上升边的50％点之间的时间间隔，叫导通延迟时间td；把V\(_{o}\)波形上升边的50％点，相对于Vi下降边50％点的时间间隔，叫截止延迟时间t\(_{s}\)。取两者的平均值，就是平均延迟时间tpd=\(\frac{t}{_{d}}\)+ts2。数字电路的开关速度越高，t\(_{pd}\)越短，例如一般TTL电路，其tpd约在十几ns到几十ns范围内，而高速ECL电路的t\(_{pd}\)只有几个ns。tpd值均可在手册中查到。

1．合理选用电路。对数字电路性能的要求，因实际应用场合而异：有的要求高速，有的要求抗干扰能力强，有的要求功耗低等等。所以要根据实际需要来选用电路，要求任何指标都选优的做法，不但实际工作中没有这个必要，而且对电路本身也是苛求。目前市场上供应给业余爱好者使用比较多的是TTL、HTL、PMOS、CMOS电路，表1比较了它们的主要性能，供选用时参考。

利用集成电路制作上的方便，在一块集成电路上可以做好几个基本门电路，例如可做成双与非门、三与非门、四与非门等等，如图6是一块二输入端四与非门集成电路，即在一块集成电路内有4个2输入端的与非门，这就给电路的使用带来很大方便。

2．供电电压要求稳定。数字集成电路的供电电压，一般允许有±10％的误差。例如TTL电路要求+5V供电，可允许在4.5～5.5V范围内的任一数值电压供电，不致影响电路性能。但是应该注意，允许有±10％的供电电压范围，并不等于说电路工作时供电电压可以有±10％的波动，数字集成电路一般都要求稳压供电，且有较好的滤波电路，以免引入干扰，否则将影响电路工作的稳定性。

3．工作温度的选择。同晶体管一样，数字集成电路的性能指标一般亦在25℃时测定，其使用温度范围，手册中大致规定为三类：一类产品，-55～＋125℃；二类产品，－40～＋85℃；三类产品-10～＋70℃。使用温度范围越宽，电路售价也就越高，所以应根据使用场合来合理选择。

集成电路的使用环境温度一般不应超过规定，若环境温度高于规定上限值，会引起器件内部漏电流、噪声增大，稳定性变坏，温度越高，越易被烧坏。当环境温度低于规定下限值时，电路速度、负载能力等指标都将下降。

4．封装形式的选择。前面已经讲过，集成电路有圆型、扁平型和双列直插型等三种封装形式，数字电路主要采用后两种封装形式，封装材料有塑料和陶瓷两种。

扁平封装体积小些，安装时自由度大，但引出脚拆装较麻烦；双列直插式体积稍大，但安装方便，适于自动化装配。陶瓷封装密封性较好，使用温度范围较宽，可靠性高，但成本高些；塑料封装密封性、温度范围不如前者，但成本低。所有这些，都应根据设备要求、制造成本加以考虑。

5．焊装方式选择。数字集成电路的焊装，通常有三种方式：图7a为引线直插法，电路引出脚向下弯曲90°，插入印制板孔内焊好，双列直插式用此法很方便。图7b为引线钩焊法，电路引出脚插入印制板孔内后，钩紧在印制导线上，再将钩接处焊好，这样焊装方法的好处是印制板孔内没有填满焊料，拆修较方便。图7c为表面搭焊法，适用于扁平封装电路，焊装前应先将引出脚按要求折弯，然后搭焊在印制导线上。

集成电路引出脚的折弯，同晶体管一样，切忌在根部封结处，应按图8将尖嘴钳夹住引出脚再折弯。为避免引线镀层剥落，切勿折死弯，弯曲半径应大于引线厚度。

焊接集成电路时应使用小于25瓦的电烙铁，烙铁外壳最好接地，当焊装PMOS或CMOS电路时，烙铁外壳必须良好接地。每次焊接时间不应超过5秒。对于PMOS或CMOS电路，不用的输入端，应根据电路情况，将它们接V\(_{DD}\)或VSS，不能悬空。（金国钧编译）