文章目錄

• • 數字電路的歷史
  • • 電子管時代
    • 晶體管時代
    • 半導體集成電路IC 時代
    • • IC的發展階段
      • EDA (Electronics Design Automation) 技術
  • 數字集成電路的分類
  • • 數字集成電路的集成度分類
    • 從器件導電類型不同
    • 從器件類型不同

數字電路的歷史

數字電路是數字計算機和自動控制系統的基礎，它的發展是以電子器件的發展為基礎的，器件的發展可以大致上分為3個階段：

• 電子管（1906年）
• 晶體管（1947年）
• 集成電路（Integrated Circuit，簡稱IC，1958年）

器件發展的幾個階段：

數字電路發展特點: 以電子器件的發展為基礎

電子管時代

電壓控制器件: 電真空技術

1906年，福雷斯特等發明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在一些大功率發射裝置中使用。

1946年2月由賓州大學研制成功ENIAC

重達30 t
占地250m2
啟動功耗150000 W
1.8萬個電子管
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晶體管時代

電流控制器件半導體技術

1947年12月，Bell實驗室的John Bardeen(巴丁)、Walter H. Brattain（布拉頓）及William Shockley(肖克利) 共同發明了晶體管，1956年獲諾貝爾物理學獎。

器件 半導體二極管、三極管

半導體集成電路IC 時代

集成電路（Integrated Circuit, IC）把構成具有一定功能電路所需的晶體管、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內，其封裝外殼有圓殼式、雙列直插式、扁平式或球形柵格陣列式等多種形式。

1958年美國 TI （Texas Instruments）公司的Jack Kilby（杰克?基爾比）研制出世界上第一個集成電路（相移振蕩和觸發器： 由12個器件構成）。

IC的發展階段

20世紀60~70代：IC技術迅速發展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10萬個晶體管/片。

20世紀80年代后：ULSI ， 10億個晶體管/片 、 ASIC 制作技術成熟

20世紀90年代后：97年一片集成電路上有40億個晶體管。

目前：芯片內部的布線細微到納米(90~5 nm)量級，微處理器的時鐘頻率高達3GHz（109Hz）

將來：高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結構的電路

電路設計方法伴隨器件變化 從傳統走向現代

(a)傳統的設計方法：

采用自下而上的設計方法；由人工組裝,經反復調試、驗證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差,設計周期長。

(b)現代的設計方法：

現代EDA技術實現硬件設計軟件化。采用從上到下設計方法，電路設計、分析、仿真、修訂等全部通過計算機完成。

EDA (Electronics Design Automation) 技術

EDA技術以計算機為基本工具、借助于軟件設計平臺，自動完成數字系統的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載到芯片上，實現系統功能。使硬件設計軟件化。

1.設計

在計算機上利用軟件平臺進行設計

$$\text{?設計方法?}?\begin{array}{l}\text{?原理圖設計?}\\ \text{?Verilog?HDL設計?}\\ \text{?狀態機設計?}\end{array}$$
2.仿真

3.下載

4.驗證結果

數字集成電路的分類

根據芯片內部集成的邏輯門數目（集成度）

早期把數字集成電路分為小、中、大三類。隨著技術的進步，后來出現的規模更大的集成電路稱為超大規模集成、甚大規模五類(SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI)。

實際上，LSI與VLSI之間的界限有些模糊不清，并且后來趨向于以晶體管的個數而不是以邏輯門的個數來界定IC，凡是超過100萬個晶體管的IC就是VLSI 。

從器件導電類型不同

• 將使用BJT的芯片稱為雙極型集成電路。
• 將使用MOSFET的芯片稱為單極型集成電路。

數字集成電路的集成度分類

分類門的個數典型集成電路

小規模	最多12個	邏輯門、觸發器
中規模	12~99	計數器、加法器
大規模	100~9999	小型存儲器、門陣列
超大規模	10 000以上	大型存儲器、微處理器、可編程邏輯器件等

從器件導電類型不同

將使用BJT的芯片稱為雙極型集成電路，典型代表是基于TTL（Transistor-Transistor Logic）技術的7400系列。

將使用MOSFET的芯片稱為單極型集成電路，典型代表是基于CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）技術的4000系列。

TTL是1964年由TI 公司作為標準產品推出的，TI 公司稱之為54/74邏輯系列。

54系列為軍用型產品，而74系列為商用型產品。兩個系列相應型號的功能一樣，但性能不同。

從器件類型不同

將使用BJT的芯片稱為雙極型集成電路，典型代表是基于TTL（Transistor-Transistor Logic）技術的7400系列。

將使用MOSFET的芯片稱為單極型集成電路，典型代表是基于CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）技術的4000系列。

第一個CMOS集成電路在1968年就被研發出來，功耗低，但速度較慢，其應用范圍受到一定的限制。

經過長期研究與改良，CMOS IC 性能大大提高。

到20世紀90年代后期，CMOS電路便逐漸取代TTL電路而成為當前數字集成電路的主流產品。

TTL系列說 明縮寫字母注釋

74	標準TTL （出現得最早）	——
74L	低功耗型	Low-power
74S	肖特基型	Schottky
74LS	低功耗肖特基型（應用廣泛）	Low-power Schottky
74AS	增強型肖特基型	Advanced Schottky
74ALS	增強型低功耗肖特基型	Advanced low-power Schottky
74F	快速型	Fast
74H	高速型	High-speed
74LV	低電源電壓型	Low-voltage

CMOS系列說 明

4000	最早出現的CMOS，供電電源為3～18V
74HC	與TTL芯片的引腳兼容、編號相同的高速CMOS ，供電電源為2～6V
74HCT	類似于74HC，并能與TTL直接相連，供電電源為4.5～5.5V
74AC	增強型CMOS，供電電源為3.0～5.5V
74ACT	類似于74AC，并能與TTL直接相連，供電電源為4.5～5.5V
74AHC	增強型高速CMOS，供電電源為2.0～5.5V
74AHCT	類似于74AHC，并能與TTL直接相連，供電電源為4.5～5.5V 具有TTL輸入電平的快速CMOS，供電電源為4.75～5.25V
74FCT	低電源電壓型，供電電源為2.0～3.6V
74LVC

早期CMOS IC典型代表是4000系列，其供電電源在3～18 V之間，后來為了能與TTL芯片兼容，多數CMOS芯片使用5V或者更低的電源。現在，CMOS有4000、74HC、74AC、74HCT等系列。

參考文獻：

Verilog HDL與FPGA數字系統設計，羅杰，機械工業出版社，2015年04月

Verilog HDL與CPLD/FPGA項目開發教程(第2版), 聶章龍, 機械工業出版社, 2015年12月

Verilog HDL數字設計與綜合(第2版), Samir Palnitkar著，夏宇聞等譯, 電子工業出版社, 2015年08月

Verilog HDL入門(第3版), J. BHASKER 著 夏宇聞甘偉 譯, 北京航空航天大學出版社, 2019年03月

總結

以上是生活随笔為你收集整理的FPGA：数字电路简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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