第二章高速数字逻辑集成电路
2-1 概述
任何一个电子学系统的性能总是和本身使用的器件密切相关. 数字逻辑集成电路是数据采集系统的最基本的器件之一, 它的性能好坏直接决定了整个系统的水平, 很显然, 使用低速的数字逻辑器件是不可能构成一个高性能的高速数据采集系统的. 一个优秀的系统设计者, 总是密切注视着器件, 即数字逻辑集成电路和其它集成电路的发展, 不断地采用最新的高速器件, 并将器件的性能用到它的极限.
数字逻辑集成电路的发展与半导体工艺是紧密相连的. 因而有必要讨论一下半导体工艺的历史, 现状和发展趋势.
1974年圣诞节前夜, 12月23日, 世界上第一个晶体管在美国贝尔(Bell)实验室问世. 标志着人类开始进入半导体时代. 其发明者--巴丁, 布拉特恩和肖克利因此获得了1956年的诺贝尔奖金. 由于发明工程器件而获得诺贝尔奖金, 这还是历史上第一次.
五十年代,晶体管在各个方向上全面发展, 功能越来越强, 尺寸和功耗则越来越小.
1958年, 德州仪器公司(Texas Instruments)制造出第一块集成电路(Integrated Circuit:IC), 虽然它仍然很原始, 但却是半导体工业发展的一个重要里程碑.
1960年, 第一个场效应管也在贝尔实验室研制成功.
1971年, 英特尔公司(Intel)发明了第一个微处理器:4004. 第二年, Intel公司又推出了第一个8位微处理器:8008, 随之出现了个人计算机.
六、七十年代, 人们曾根据集成电路中包含的晶体管数将其分类, 即:
小规模集成电路(Small scale Integrated Circuit: SSI): 1960年. 每片一般不超过100个晶体管.
中规模集成电路(Middle scale Integrated Circuit: MSI): 1966年. 每片中晶体管数在100-1000个之间.
大规模集成电路(Large scale Integrated Circuit: LSI): 1969年. 每片中晶体管数在1000-10000个之间.
超大规模集成电路(Very Large scale Integrated Circuit: VLSI): 1975年. 每片中晶体管数超过10000个.
半导体工业的飞速发展, 今天集成电路的规模已远远超过这些分类的含义. 九十年代初, 在一片硅芯片上已可做出四百万个晶体管.
目前, 半导体工业的主要材料是硅, 其制造工艺主要分为两大类: 双极型(Bipolar)和单极型(Unipolar)半导体器件。这样的分类是基于半导体器件内导电机制的不同。在双极型半导体器件里, 既有电子导电, 也有空穴导电, 一个晶体管里有两种极性的载流子,
所以被称为双极型晶体管, 普通的NPN 型晶体管, PNP 型晶体管都是这种双极型半导体器件。单极型半导体器件中只有一种载流子参与导电，电子或空穴, 如通常的MOS 晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor，简称:MOS, 金属氧化物半导体)。N型MOS为电子导电, P型MOS为空穴导电, 而CMOS则是将N型MOS和P型MOS器件做在一片硅片, 形成互补的MOS器件。由于单极型半导体器件是用电场控制电流而工作的, 所以也常常称为场效应晶体管。
双极型半导体器件的特点是速度快,功耗大,集成度相对较小。普遍使用的TTL型数字逻辑集成电路和速度很快的ECL型数字逻辑集成电路都是双极型的。
单极型半导体器件的特点是电路制作比较简单, 因而集成度较高, 同时功耗也小, 其不足之处是速度上不如双极型半导体器件快。
MOS半导体器件有一个重要的特点, 即所谓的尺度特性。它指的是若把半导体线路的尺寸和极电压成比例地减小, 电路特性不变。这是因为MOS半导体器件是一种电压控制器件, 信号与尺寸一同减小, 材料内部的电场强度不变, 性能也就保持原样。MOS器件的尺度特性驱使人们追求越来越小的线宽。线宽减小时, 芯片上的晶体管数按指数增长, 因而大大提高了集成度。而载流子传输距离缩短,电路的速度就加快。并且电源电压可相应降低, 这样就减低了电路的功耗。
线宽的减少使得速度提高, 功耗降低和集成度增加, 因而在很大意义上, 线宽的大小就代表了半导体工艺的水平, 目前最先进的工艺的线宽已减少到0.25um, 并且还在进一步地减少。
在高速数据采集系统设计中，目前常用的数字逻辑集成电路大致分三种类型:
1. 晶体管--晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic, 简称:TTL)
TTL数字逻辑集成电路属于双极型半导体器件, 是第一代成熟的数字逻辑集成电路, 目前已形成为门类齐全、庞大的数字逻辑集成电路系列。从最早的74/54系列, 到速度最快的74/54F系列和74/54ALS系列，应用极其广泛，遍及电子学的所有领域。
2. 新型的高速CMOS逻辑
直到80年代初期, 双极性数字逻辑集成电路仍然是高速数据采集系统设计的唯一选择。CMOS数字逻辑集成电虽然功耗极低，但其速度太慢, 十倍于双极性电路，因而只能在功耗要求非常优先, 速度要求不高的地方上应用。然而随着高性能、短构道长度的CMOS技术的发展，情况开始发生变化。1982年，国家半导体公司 (National Semiconductor)的前身仙童公司(Fairchild Semiconductor)开始开发新型的CMOS器件, 经过三年时间的研究, 于1985年正式推出了新型的FACT(Fairchild Advanced CMOS Technology)系列。FACT 是一个高速、低功耗的CMOS数字逻辑集成电路系列。除了低功耗以外, 早期的FACT逻辑系列与74F系列极其相似。
3. 射极耦合逻辑(Emittor-Couple-Logic, 简称:ECL)
