文章目錄

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

數(shù)字電路的歷史

數(shù)字電路是數(shù)字計算機和自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的，器件的發(fā)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(fā)展的幾個階段：

數(shù)字電路發(fā)展特點: 以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)

電子管時代

電壓控制器件: 電真空技術(shù)

1906年，福雷斯特等發(fā)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(fā)射裝置中使用。

1946年2月由賓州大學(xué)研制成功ENIAC

重達(dá)30 t
占地250m2
啟動功耗150000 W
1.8萬個電子管
保存80個字節(jié)

晶體管時代

電流控制器件半導(dǎo)體技術(shù)

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(fā)明了晶體管，1956年獲諾貝爾物理學(xué)獎。

器件 半導(dǎo)體二極管、三極管

半導(dǎo)體集成電路IC 時代

集成電路（Integrated Circuit, IC）把構(gòu)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(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內(nèi)，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(fā)器： 由12個器件構(gòu)成）。

IC的發(fā)展階段

20世紀(jì)60~70代：IC技術(shù)迅速發(fā)展：SSI、MSI、LSI 、VLSI。10萬個晶體管/片。

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

20世紀(jì)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(nèi)部的布線細(xì)微到納米(90~5 nm)量級，微處理器的時鐘頻率高達(dá)3GHz（109Hz）

將來：高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路

電路設(shè)計方法伴隨器件變化 從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代

(a)傳統(tǒng)的設(shè)計方法：

采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝,經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差,設(shè)計周期長。

(b)現(xiàn)代的設(shè)計方法：

現(xiàn)代EDA技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方法，電路設(shè)計、分析、仿真、修訂等全部通過計算機完成。

EDA (Electronics Design Automation) 技術(shù)

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

1.設(shè)計

在計算機上利用軟件平臺進(jìn)行設(shè)計

$$\text{?設(shè)計方法?}?\begin{array}{l}\text{?原理圖設(shè)計?}\\ \text{?Verilog?HDL設(shè)計?}\\ \text{?狀態(tài)機設(shè)計?}\end{array}$$
2.仿真

3.下載

4.驗證結(jié)果

數(shù)字集成電路的分類

根據(jù)芯片內(nèi)部集成的邏輯門數(shù)目（集成度）

早期把數(shù)字集成電路分為小、中、大三類。隨著技術(shù)的進(jìn)步，后來出現(xiàn)的規(guī)模更大的集成電路稱為超大規(guī)模集成、甚大規(guī)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(shù)而不是以邏輯門的個數(shù)來界定IC，凡是超過100萬個晶體管的IC就是VLSI 。

從器件導(dǎo)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(shù)字集成電路的集成度分類

分類門的個數(shù)典型集成電路

小規(guī)模	最多12個	邏輯門、觸發(fā)器
中規(guī)模	12~99	計數(shù)器、加法器
大規(guī)模	100~9999	小型存儲器、門陣列
超大規(guī)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(dǎo)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(shù)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(shù)的4000系列。

TTL是1964年由TI 公司作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品推出的，TI 公司稱之為54/74邏輯系列。

54系列為軍用型產(chǎn)品，而74系列為商用型產(chǎn)品。兩個系列相應(yīng)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(shù)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(shù)的4000系列。

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

經(jīng)過長期研究與改良，CMOS IC 性能大大提高。

到20世紀(jì)90年代后期，CMOS電路便逐漸取代TTL電路而成為當(dāng)前數(shù)字集成電路的主流產(chǎn)品。

TTL系列說 明縮寫字母注釋

74	標(biāo)準(zhǔn)TTL （出現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(shù)CMOS芯片使用5V或者更低的電源。現(xiàn)在，CMOS有4000、74HC、74AC、74HCT等系列。

參考文獻(xiàn)：

Verilog HDL與FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，羅杰，機械工業(yè)出版社，2015年04月

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

Verilog HDL數(shù)字設(shè)計與綜合(第2版), Samir Palnitkar著，夏宇聞等譯, 電子工業(yè)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(xué)出版社, 2019年03月

總結(jié)

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