单片机应用技术与IC芯片集成

集成电路（简称IC）按工作信号形式分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，前者有诸如集成运放、比较器、模拟开关电路、集成稳压器等，其中与单片机电路密切相关的是供电电源中几乎都用到的集成稳压器（即常见的三端稳压集成芯片）。另一方面，数字集成电路在单片机的学习和实验过程中的使用频度更大，诸如基本逻辑门电路、译码器、驱动器、整形电路、存储器、数据比较器等。下述概括讨论数字集成电路芯片选用的基本常识和运用技巧，旨在抛砖引玉。

1.数字集成电路的系列

常用的是TTL系列和CMOS系列（均属分立式芯片），CMOS系列是继TTL系列之后发展的产品，均有双列直插式（DIP封装）和后续发展的贴片式（SMT封装）。双列直插式IC芯片见图7-25，引脚有8脚、14脚、16脚、18脚、20脚、…等。俯视观察IC，表面一侧通常备有缺口或圆点标志，引脚编号是从这标志的逆时针方向算起为第1脚，图中所示一般右下角位置的引脚为GND或VSS（接地），而左上角位置的引脚为VCC或VDD（接电源），但亦有某些特殊排列的IC，可查阅产品具体数据手册核准。

图7-25 双列直插式IC芯片

（1）TTL系列 TTL含义是“晶体管-晶体管-逻辑”，通常采用正逻辑结构。TTL的74系列含有如下几个类别：74××为标准型，74S××为肖特基型，74LS××为低功耗肖特基型，74AS××为先进肖特基型，74ALS××为先进低功耗肖特基型，74F××为高速型。一般应用场合多选用低功耗型74LS××，在某些需驱动能力大的情况下选用74××标准型。后续发展出高速CMOS结构的74系列类别，如74HC××型、74HCT××型等（另述）。各类别中只要数字标号（××）相同，其功能和引脚排序就一样，例如“四组2输入端或非门”芯片7402、74S02、74LS02、74HC02等。

TTL芯片参数栏目众多，选用时除首先考虑功能外，要关注的最基本参数是供电电压、逻辑电平、低电平输出电流能力，至于芯片电平从低到高或从高到低的输出传输时延（t_PLH，t_PHL）一般应用场合都能满足。VCC供电电压正常值为+5V，允许波动最小值4.75V、最大值5.25V，供电电源必须保持在允许范围内芯片才能工作稳定。输入信号的高电平最小为2V、低电平最大为0.8V，也就是说TTL系列输入2V以上就属高电平，而0.8V以下才属低电平。输出信号的低电平最大为0.4V，高电平为VCC。低电平输出电流能力（I_CCL）视同种功能芯片的不同结构类别而异，亦体现了带载能力和功耗大小。例如上述的7402和74LS02芯片，I_CCL值（单位为mA）为45和5.4。传输时延t_PLH（单位为ns）为12和10。

（2）CMOS系列 CMOS含义是“互补型金属-氧化物-半导体”，通常采用正逻辑结构。CMOS芯片参数栏目众多，选用时除首先考虑功能外，要关注的最基本参数也是供电电压、逻辑电平、低电平输出电流能力，至于芯片电平从低到高或从高到低的输出传输时延（t_PLH，t_PHL）一般应用场合都能满足。

常用的40××系列和45××系列VDD供电电压范围较宽，从3V到15V，其中在5V、10V、15V供电档次下的参数各有不同。在常见的5V供电电压档位，输入信号的高电平最小为3.5V、低电平最大为1.5V，电平范围均与TTL系列的要求不同。输出信号的低电平最大0.05V（几乎接近零值），高电平最小为4.95V（接近供电电压）。以“四组2输入端或非门”芯片CD4001为例，环境温度25℃时的低电平或高电平的输出电流典型值分别为正负0.88mA，带载能力相对TTL系列要弱；另外，传输时延典型值在125～160ns范围，传输速度相对TTL系列要慢；因属高阻抗输入端，输入电流低至1μA，而芯片总静态电流仅几微安，功耗甚微，表明CMOS芯片十分适合由电池供电的便携式应用场合。

（3）TTL和CMOS系列的特性关系 从上所述可知，TTL系列和CMOS系列的供电不同，工作电平不同，速度、功耗、负载能力、输入和输出特性等均不一样。具体是：高速CMOS结构的74HC××能接近74LS××的处理速度但功耗低，因此问世后被广泛采用；TTL系列只能用5V工作，而CMOS系列一般可用2～6V工作，适应电池的应用场合；TTL系列典型的低、高工作电平为0.8V和2.4V，而CMOS系列典型的低、高工作电平为0.3V和3.6V，因此CMOS系列可驱动TTL系列，反之不能；高速CMOS结构的74HCT××属于TTL工作电平，可与74LS××互换使用且功耗低；TTL因属晶体管结构允许输入端开路（呈高电平状态），CMOS因属场效应管结构不允许输入端开路，需有上拉或下拉电阻来确定其电平状态；TTL系列诸如74LS××通常低电平负载能力为20mA，高电平负载能力为5mA，即输出时的（吸）电流能力比（灌）电流能力强，而CMOS系列的高、低电平负载能力均为5mA，前者适于驱动电流较大的场合。了解这些基本关系有助于选型和电路的设计组建。(www.xing528.com)

（4）TTL芯片的OC门 通常单块TTL芯片内集成了数个相同的逻辑门电路，共用一个电源引脚VCC和地引脚VSS。但有一种特殊设计的门电路，其末级（输出级）的晶体管集电极与片内电源引脚VCC脱离（呈开路状态），独立提供片外引脚，称为OC门（WITHOPEN-COLLECTOR OUTPUTS）。允许输出级外接电压高于片内VCC的功率驱动器件负载（如继电器、电磁铁、电动机等），实现小信号对大负载的控制。举TTL数据手册的“六反相器”SN74LS05为例，芯片引脚和OC门内部结构见图7-26。其中用到的该输出引脚（Y）不应悬空，也不能直接连接电源（VCC），必须通过上述负载或电阻负载连接到所需的供电电源，才能正常工作。大电流驱动芯片如ULN2003A，其输出级也属于7路达林顿晶体管阵列的OC门结构，每路可通过500mA电流，外部电压可高达50V，每路还内置了消除反向电压的二极管，可直接驱动继电器线圈或大屏幕LED数码管显示板等大功耗负载。

图7-26 芯片引脚和OC门内部结构

2.逻辑门电路的利用

单片机应用电路的组成中很多场合需用到不同的分立逻辑门芯片，而单块芯片大多含四组甚至六组同功能的逻辑门单元。往往会出现这样的情况：所需功能的逻辑门芯片可能短缺，或一块芯片中有剩余的同功能单元，显然利用已有的逻辑门单元组构所需功能的逻辑门，是一种解决问题和充分利用资源的有效方法。诸如要实现“与门”、“或门”、“非门（反相器）”、“与非门”、“或非门”等某种逻辑功能，最好尽量选用“与非门”或“或非门”芯片来实现，因为易于利用冗余的单元组建其他类别逻辑门。具体说，如果只需一个“二输入端与非门”，那么除了用到该芯片中一个单元之外，余下的三个单元可构成一个“二输入端或门”，或三个“反相器”（各单元的输入端并接而成），或一个“反相器”和一个“非反相隔离器”（两个“反相器”单元串联而成），剩余“与非门”的利用举例见图7-27；同理，如果只需一个“二输入端或非门”，除了用到该芯片中一个单元之外，余下的三个单元可构成一个“二输入端与门”，或三个“反相器”，或一个“反相器”和一个“非反相隔离器”，剩余“或非门”的利用举例见图7-28。一块“二输入端与门”或“二输入端或门”芯片可用其中的三个单元来扩展同类型逻辑门的输入端个数，使之成为“四输入端与门”或“四输入端或门”（图略），但尚需结合另一芯片才能实现在此基础上的“逻辑非”功能。此外，有些单块芯片混合有多种类别的逻辑门，如45××系列的MC14501UB，内含两个“四输入端与非门”、一个“二输入端或非门”并接续一个“反相器”，提供了多种利用的灵活性。逻辑门的利用没有统一的模式，需根据具体电路需求和资源利用效率来权衡考虑。

图7-27 剩余“与非门”的利用举例

图7-28 剩余“或非门”的利用举例