集成电路的基本常识

吴 运

安徽泾县医院医疗器械工程师

集成电路的基本常识

吴 运

安徽泾县医院医疗器械工程师

随着电子技术的迅速发展，集成电路的应用也越来越广。在集成电路使用前，工程技术人员首先应对该集成电路的类型、参数、结构、外形及封装等进行全面了解，才能充分发挥该集成电路的用途及功效。所以本文主要针对集成电路的基本常识做出相关的总结及分析。

集成电路（IC）是英文“IntegratedCircuits”的缩写，集成电路是由多个电路集成在一起的电子元器件的总称，世界上第一块集成电路是1958年由德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组研制的。随着电子技术的发展，使集成电路的应用涉及医疗、军事、通讯等各个领域。集成电路具有运算速度快、可靠性高、体积小、成本低廉、重量轻、专用性强、寿命长、选用方便、用途广泛等优点，而且具有技术升级快、衍生性、移动性、网络化、智能化等特点。

集成电路的分类

1.集成电路按功能主要分为：模拟集成电路（Analog IC）和数字集成电路Digital IC）。模拟集成电路即用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度时间边疆变化的信号）。模拟集成电路可分为线性模拟集成电路（又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等）和非线性集成电路（如振荡器、定时器等电路）。数字集成电路即用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号），数字集成电路是采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。数字集成电路产品的种类很多，若按电路结构来分，可分成TTL和MOS 两大系列。 TTL 数字集成电路是利用电子和空穴两种载流子导电的，所以又叫做双极性电路。MOS 数字集成电路是只用一种载流子导电的电路，其中用电子导电的称为NMOS 电路；用空穴导电的称为PMOS 电路：如果是用NMOS 及PMOS 复合起来组成的电路，则称为CMOS 电路。 CMOS 数字集成电路与TTL 数字集成电路相比，有许多优点，如工作电源电压范围宽，静态功耗低，抗干扰能力强，输入阻抗高，成本低，等等。因而， CMOS 数字集成电路得到了广泛的应用。目前电子电路的发展经历了从模拟到数字的进步，而且数字集成电路是近年来应用最广、发展最快的集成电路品种，但不等于数字电路可以取代模拟电路，也不能简单地说哪一种集成电路应用更实用、更有价值，因为数字电路毕竟只能处理高低电平，大约的电压在0—5V，没有模拟电路几乎没有任何电子设备能正常工作，如一台计算机的供电系统全采用模拟电路外，它的声卡及显卡也都包含了模拟电路部分。

2.集成电路按制作工艺可分为：半导体集成电路和膜集成电路，膜集成电路又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。

3.按集成电路内所含晶体管等电子组件的数量可分为：小型集成电路SSI（晶体管数10—100个或1—10逻辑门）、中型集成电路MSI（晶体管数100—1000个或10—100逻辑门）、大规模集成电路LSI（晶体管数1000—100000个或100—10000逻辑门）、超大规模集成电路VLSI（晶体管数100000以上或10000以上逻辑门）、特大规模集成电路VLSL（晶体管数10的7次方—10的9次方个）、巨大规模集成电路GSI（晶体管数10的9次方以上）。

4.集成电路按导电类型可分为：双极型集成电路及单级型集成电路。双极型集成电路制作工艺复杂、功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等。单级型集成电路工艺简单、功耗较低、易于制作成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

5.按用途分类：可分为军事用集成电路、通信用集成电路、医疗用集成电路、遥控用集成电路等等，涉及各个领域。

6.按应用领域可分为：标准通用集成电路和专用集成电路。标准通用集成电路是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储器（DRAM）、微处理器（MPU）及微控制器（MCU）等。专用集成电路（ASIC）是指特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。

7.按外形可分为：圆型（金属外壳晶体管封装型、一般适用于大功率）、扁平型（稳定性好、体积小）和双列直插型（适合在印刷电路板上穿孔焊接、操作方便、易于布线）。

集成电路参数的专用术语

AC/DC ——交流转直流C/DC——直流转直流

STEP- UP/STEP- DOWN——开压/降压Vcc——供电电压

Vin/Vout ——输入/输出电压Iin/Iout ——输入/输出电流

Vmax/Vmin ——最大/最小电压Iq ——静态电流

Pout/Pin ——输出/输入功率Pmax ——最大功率

Accu ——精度Eff. ——效率

Fosc.Freq ——工作频率PSRR ——电源纹波抑制比

ESD ——静电防护EMI ——电磁干扰

OVP ——过压保护OCP ——过流保护

OTP ——过温保护GP/O ——通用输入/输出口

描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标

1.集成度（Integration Level）是以一个集成电路所包含的晶体管或逻辑门的数量来衡量。随着集成度的不断提高，使集成电路的功能更加强大、运算速度更快、可靠性更高、功耗更低、体积更小、重量更轻、应用领域更广及产品成本更低，因此说集成度是集成电路技术进步的标志。

2.特征尺寸（Feature Size）/（Critical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度（对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度），也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。

3.晶片直径（Wafer Diameter）为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，产品成本提高。采用更大直径的晶片可解决这一问题（即增加晶圆的尺寸）。

4.芯片面积（Chip Area）随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数量不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。

5.封装（Package）集成电路的封装最初采用插孔封装THP（through-hole package）形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装（SMP）技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印刷电路板的两面，使电路板的费用降低60%，并使性能得到改进。

集成电路的组成及符号的意义

集成电路的型号组成一般由前缀、编号及后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。

例1：CT74LS160CJ数字集成电路型号的组成及符号的意义

CT（制造商CT：中国制造TTL集成电路）74（产品系列：民用74系列）LS（器件系列：低功耗肖特基74TTL电路系列）160（器件种类：十进制计数器）C（温度等级：0℃～70℃）J（封装形式：黑瓷双列直插封装）

例2：SN74S195J数字集成电路型号的组成及符号的意义

SN（制造商SN：美国德克萨斯公司制造）74（产品系列：民用74系列）S（器件系列：肖特基74TTL电路系列）195（器件种类：4位并行移位寄存器）J（封装形式：黑瓷双列直插封装）

例3：CC14512MF数字集成电路型号的组成及符号的意义

CC（制造商CC：中国制造CMOS集成电路）14512（器件种类：8选1数据选择器）M（温度等级：-55℃～125℃）F（封装形式：全密封扁平封装）

附：国内常用集成电路型号命名法

I.制造厂商：CC（中国制造）

II.器件的类型：T（TTL电路）、H（HTL电路）、E（SCL电路）、C（CMOS电路）、M（储存器）、u（微型机电路）、F（线性放大器）、W（稳压器）、D（音响电视电路）、B（非线性电路）、J（接口电路）、AD（A/ D转换器）、DA（D/A转换器）、SC通信专用电路）、SS（敏感电路）、SW（钟表电路）、SJ（机电仪电路）、SF（复印件电路）……

III.器件系列品种

TTL分为54/74xxx、54/74Hxxx、54/74Lxxx、54/74Sxxx、54/74LSxxx、54/74ASxxx、54/74ALSxxx、54/74Fxxx ……

CMOS分为4000系列、54/74HCxxx、54/74HCTxxx……

注54（国际通用军用54系列）74（国际通用民用74系列）

H（高速）L（低速）LS（低功能）

IV、工作温度范围：C（0℃～70℃）G（-25℃～70℃）L（-25ºC～85℃）E（-40℃～85℃）R（-55℃～85℃）M（-55℃～125℃）

注C：只出现在74系列M：只出现在54系列。

V.器件的封装：F（多层陶瓷扁平封装）、B（塑料扁平封装）、H（黑瓷扁平封装）、D（多层陶瓷双列直插封装）、J（黑瓷双列直插封装）、P（塑料双列直插封装）、S（塑料单列直插封装）、T（金属圆壳封装）、K（金属菱形封装）、C（陶瓷芯片载体封装）、E（塑料芯片载体封装）、G（网格针栅陈列封装）、SOIC（小引线封装）、PCC（塑料芯片载体封装）、LCC（陶瓷芯片载体封装）……

附图说明：

集成电路的识别方法及附图说明

1.集成电路的封装形式和引脚顺序集成电路的封装材料及外形有多种，最常用的封装有塑料、陶瓷及金属3种。封装外形可分为圆形金属外壳封装（晶体管式封装）、陶瓷扁平或塑料外壳封装、双列直插式陶瓷或塑料封装、单列直插式封装等。圆筒形金属壳封装多为8脚、10脚及12脚，菱形金属壳封装多为3脚及4脚，扁平形陶瓷封装多为12脚及14脚，单列直插式塑料封装多为9脚、10脚、12脚、14脚及16脚，双列直插式陶瓷封装多为8脚、12脚、14脚、16脚及24脚，双列直插式塑料封装多为8脚、12脚、14脚、16脚、24脚、42脚及48脚。集成电路的封装外形不同，其引脚排列顺序也不一样。正确识别引脚排列顺序是很重要的，否则集成电路无法正确安装、调试与维修，以至于不能正常工作，甚至造成损坏。

2.圆筒形和菱形金属壳封装IC的引脚识别面向引脚（正视），由定位标记所对应的引脚开始，按顺时针方向依次数到底即可。常见的定位标记有突耳、圆孔及引脚不均匀排列等。

3.单列直插式IC的引脚识别该种集成电路的定位标记有色点、缺角、小孔画点、凹坑、线条、色带等。识别时，让引脚朝下，让定位标记对着自己，从定位标记一侧的第一只引脚数起，依次为①脚、②脚、③脚……

注意：有些厂家生产的集成电路，本是同一种芯片，为了便于在印制电路板上灵活安装，其封装外形有多种。一种按常规排列，即自左向右；另一种则自右向左，如少数这种器件上没有引脚识别标记，这时应从它的型号上加以区别。若其型号后缀有一个字母R，则表明其引脚顺序为自右向左反向排列。例如，M5115P与M5115PR.前者引脚排列顺序为自左向右为正向排列，后者引脚为自右向左反向排列。

4.双列直插式或扁平式IC的引脚识别将其水平放置，引脚向下，即其型号、商标向上，定位标记在左边，从左下角第一根引脚数起，按逆时针方向，依次为①脚、②脚、③脚等。扁平型封装的集成电路多为双列直插式，这种集成电路为了识别管脚，一般在端面一侧有一个类似引脚的小金属片，或者在封装表面上有一色标或凹口作为标记。其引脚排列方式是：从标记开始，沿逆时针方向依次为①脚、②脚、③脚等……但应注意，有少量的扁平封装集成电路的引脚是顺时针排列的。

小结

虽然集成电路与分立器件电路相比较有很多优点，但没有一个电路全部由集成的电路组成（电子设备的电路板是由集成电路与电阻、电容及晶体管等分立元器件共同组成的），为什么不用集成电路来取代这些分立元器件？因为第一集成电路的制造，芯片面积是第一要素，部分元器件受尺寸所限是无法集成的，最明显的是电容和电感，以常用的220V耐压的电解电容为例，要想在集成电路里实现220V的耐压、容值为几十uF的电容，工艺成本本身就会很高，因为，集成电路里面的电容一般耐压都小于5V，目前还没有公司能集成220V耐压电容的，而且在同等面积下，耐压和电容值成反比的。所以，要想做出这么大的电容，不仅需要非常好的工艺水平，还得需要很大的芯片面积，可能比本身电路面积大很多倍，比起单独做个电解电容，成本那可就高了不少。第二，部分功率元器件受电流、散热等方面影响是无法集成，比如说大功率的三极管或MOS管，这类元器件运行时产热量很大，通常需要加散热器辅助散热，一旦集成后造成散热缺陷，电路就会无法稳定工作，甚至烧毁电路板。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.024