关键词：多媒体；仿真；电路
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0172-02
随着半导体集成和微电子技术的迅速发展，集成电路的品种和数量与日俱增，应用也越来越广泛，集成电路变得无处不在。集成电路的使用大大简化了电路的设计，并且使系统及设备的性能指标得到了很大提高。《集成电路原理与应用》课程作为电子测量技术与仪器专业的一门职业技术基础课程，其内容涵盖电路基础、模拟电子技术和数字电子技术等多门课程[1]。在本课程的教学中，我们充分利用了多媒体教学方式，以动画形式展现集成电路的相关知识，大大激发了学生学习的积极性，大大丰富了教学内容，同时，我们充分利用了计算机软件仿真技术，将集成电路的典型应用电路通过ProtelDXP进行仿真实验，摆脱了有限的实验环境的限制，让学生在学习集成电路相关知识的同时掌握了先进的计算机辅助工具，最后，我们给予了学生在万能板上实现电子电路的机会，学生通过亲身体验制作和调试电子电路的过程，让学生具备了一定的分析问题和解决问题的能力，同时收获了通过自己努力实现目标之后的成就感。经过教学实践表明，本课程的教学内容容易实现，安排合理，学生参与的积极性高，取得了很好的教学效果。
一、教学内容的安排
本课程的内容繁杂，讲授时间有限，因此结合我院电子测量技术与仪器专业人才培养方案的要求，将本课程的教学目标定位于应用，教学的重点在于典型集成电路芯片及其典型应用电路的分析讲解、仿真和制作。首先应用线性集成稳压器制作出5～15V可调稳压电源，以供后续的集成电路应用电路使用。接着应用运放集成电路、定时集成电路、功放集成电路、非门集成电路和与非门集成电路制作出贴近生活的电子电路。具体教学内容如表1所示。
二、教学实施的特色
（一）充分利用多媒体教学方式
随着现代科技的发展，我们已经进入了一个信息化的时代，多媒体已经广泛的用于教学领域。多媒体教学以声音、图片、动画等丰富的媒体形式最大程度地调动了学生的视听感官系统，充分展示了教学手段的多样化，改变了传统的“一张嘴一支粉笔一块黑板”的教学模式，为现代教育改革注入了新的生机和活力，从而为本课程改善教学效果带来了福音。
本课程所涉及的集成电路芯片众多，受到经费的限制，不可能一一购买给学生展示，但是采用多媒体教学方式后，就可以将典型芯片的图片一一展示给学生，大大降低了教学成本，同时也丰富了学生的视野。另外，有些集成电路的典型应用电路很多，如果采用板书的方式，受到课时的限制，不可能一一给学生讲解，但是多媒体教学可以迅速地把课程资源显现在学生面前，可以大大节省教师板书的时间，使教师可以传授更多的知识，从而提高教学效率。同时，在电路的展示中配以动画，丰富了电路的生命力，从而大大激发了学生的学习积极性。
（二）充分利用计算机软件仿真技术
随着电子技术和计算机技术的快速发展，电子产品的设计与计算机的联系越来越紧密。作为以社会需求为第一要务的高职教育，在《集成电路原理与应用》课程的教学中，我们充分利用现有硬件条件，充分利用计算机软件仿真技术，培养学生应用集成电路设计和分析电子电路的能力。
我们在教学中使用的软件是ProtelDXP，学生已经在前续《电子CAD》课程中学习了如何使用该软件设计和仿真电子电路。使用ProtelDXP作电路仿真的基本流程[2]如图1所示。
在本课程的学习中，学生在ProtelDXP中通过选择元器件、连接电路、确定元器件参数实现集成电路的应用电路，还可以方便地对电路进行测试和修改，有助于增强学生对学习内容的感性认识，培养学生主动思考的能力，而且可以将本专业所开设的课程联系起来，实现几门课程之间的融会贯通，促使学生学好相关专业课程，并且做到学以致用。
（三）动手制作电子电路
电子产品的设计与制作要求学生有较强的实际动手能力，因此，在本课程的教学中，全班学生以小组（一般4-5人一组）为单位，要求学生在已经绘制好的电路原理图基础上设计出单面PCB图，然后在万能板上制作出相应的电子电路。
学生在电路原理图和单面PCB图的指导下焊接并调试电路。在整个制作和调试过程中，教师主要起指导作用，在必要时帮学生分析故障产生的原因，而学生才是主体，一切问题得由学生自己动手解决，从而大大提高了学生学习的主观能动性。
制作和调试电路在整个教学过程中占用时间是最多的，无论多么简单的电路，总是会有个别小组出现问题。但是，学生正是在不断发现问题、解决问题的过程中加深了对所学知识的理解。另外，电路的调试离不开常用电子仪器仪表如万用表、示波器等的辅助，这也让学生实际体会到了在《电子测量技术》课程所学习知识的实用价值。
三、结束语
在本课程的教学中，通过任务引领，结合先进的计算机技术，学生在学中做，做中学[3]，学做结合，充分调动了学生的学习兴趣和积极性，学生的出勤率很高，而且参与率很高。学生通过动手制作和调试电路，学习能力和动手能力有了较大提高，从一开始遇到问题不知如何是好，到最后能够查找电路中的简单故障，可见学生解决问题的能力有了一定的提高。但是，也存在一些问题。首先，本课程的教学对教师的要求较高，教师不仅要具备深厚的理论知识水平，还要了解集成电路在实际应用中的情况，这就需要加强与企业间的联系，在这方面需要进一步加强。其次，在当前的教学中，受到成本和课时的限制，集成电路芯片多采用引脚数量少的插针式元件，避免使用引脚数量多或贴片封装形式的元件，这与当前集成电路在实际使用中情况有点相悖，在今后的教学中需要改进。
参考文献：
[1]向继文，刘昕.“集成电路原理及应用”教学改革[J].中国电力教育，2011，193（6）：179-180
关键词:EDA仿真;负载能力;扩流设计;仿真对比验证
中图分类号:TN702文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)19-199-02
Research and Application of IC Test Instrument Power Circuit Simulation Design
SUN Chengting,ZHU Chunjiang
(Lianyungang Technical College,Lianyungang,222006,China)
Abstract:According to the problems of certain lab IC test instrument not being perfect on power circuit design and the system halted or restoration not being unusual on lower load capacity,the power circuit design and current-amplification circuit are being improved based on the original circuit,the contrastive verificafion is used for improving circuit with EDA simulation technique,and the problem in practical application is also solved.
Keywords:EDA simulation;load capacity;current-amplification design;simulation contrast verification
0 引 言
集成电路测试仪可用来测量集成电路的好坏,在电子实验室中应用广泛。在实际使用中,发现部分厂家生产的测试仪存在一些问题,如电网电压波动或负载加重后容易出现死机或复位不正常现象,这对实验进程和实验室管理有很大影响,也是困扰实验指导老师的常见问题,必须予以解决。本文通过某一种测试仪电源电路的改进的试验,会给实验室管理者以借鉴。
在电路设计中用到EDA(Electronics Design Automation,电子设计自动化)技术。在进行电路改进前,从电路参数设计,电路功能仿真验证等都在计算机上先用EDA软件完成,不但缩短了电路设计时间,而且大大地节约了成本。
EDA 技术是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。它经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design,CAD)、计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design,CAE)和电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)三个发展阶段[1]。利用EDA技术进行电子系统的设计,具有以下几个特点[2]:用软件的方式设计硬件;用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;对设计电路功能是否正确可进行仿真分析。
目前流行的EDA软件有Protel 99 SE,EWB,Multisim,PSpice等几种[3]。本文运用Protell 99 SE 中的Advanced SIM 99仿真功能对所改进的电路进行仿真和应用。
1 EDA仿真在测试仪电源电路设计中的应用
学校电工电子实验室有多台LM-800C数字集成电路测试仪,在使用中有时会出现死机,复位不正常现象。通过研究,发现电源电路存在问题:电源扩展能力差,带负载能力弱。笔者根据其PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)绘制出其电源电路原理图,如图1所示。
图1 LM-800C数字集成电路测试仪电源电路图
图1中,78M05为5 V三端稳压器[4],RL为测试仪负载,实际上是待测集成电路。
限于篇幅,只绘制主要部分,电源线路滤波器在图中未画出。通过研究,发现电源电路存在问题:电源扩展能力差,带负载能力不强,有时会出现死机、无法复位现象。通过对其电源电路的改进,增加了扩流电路,从而解决了实际使用中存在的问题。
1.1测试仪电源电路的扩流设计
为了节约成本,不能对原来电路进行全新设计,只能在原来电源电路基础上,通过增加部分电路来增强其带负载能力。
改进中需要考虑的问题[5]:
(1) 选择合适的滤波电容。电源输出直流电压要稳定,纹波小。
(2) 增加了扩流电路,当电源电压不稳定或测试系统负载增大时,电源带负载能力强,输出电压稳定。
图2为经过改进的带扩流功能的电路,带负载能力较强,能扩大电路的输出电流。Q1为外接扩流功率三极管,R1为Q1的偏置电阻。该电路带负载能力与Q1的参数有关。C1,C4为滤波电容,C2为0.33 μF,可抵消输入接线的电感效应,C3可防止高频自激,消除高频噪声,改善负载的瞬态响应[6,7]。
图2 带扩流功能的电路
电源电路扩展输出电流的工作原理:
二极管D1用于消除三极管Q1的发射结Ube对输出电压的影响(相当于发射结的导通电压0.7 V),并提供电容C4的放电回路。设三端稳压器78M05的最大输出电流为Imax,则晶体管的最大基极电流Ib=Imax-IRL,因而负载RL上电流的最大值I可表示为:
I=(1+β)(Imax- IRL)
一般三极管的基极电流Ib很小,与Imax相比可忽略不计,I比Imax大许多,可见输出电流提高了,从而可提高电源的带负载能力。
1.2 两种电路带负载能力的仿真对比验证
可用Protell 99 Advanced SIM 99[6,7]对原电路(图1)和改进后的电路(图2)进行仿真分析,以验证二者的带负载能力。
(1) 仿真参数设置
首先进行仿真参数设置,进行瞬态分析与傅里叶分析[8,9],仿真参数设置对话框如图3所示。
图3 仿真参数设置对话框
为了突出显示,显示器上只显示两个波形,其中in为输入端,out为输出端。
(2) 仿真波形对比分析
用Protell 99 Advanced SIM 99对图1所示电路进行仿真,发现当负载变重,超过78M05最大输出电流(0.7 A)时[10],将使输出电压的纹波增大,输出电压(out)下降且不稳定,out波形有明显的波动,5 V下降为4 V左右,且输出(out)波形不平滑,纹波大。负载变重后的仿真波形如图4所示。
图4 负载变重后的波形
为了增大电源的带负载能力,在原电路的基础上加扩展电流三极管Q1后,带同样的负载,输出电压很稳定(5 V),仿真波形如图5所示。
图5 加扩流三极管后仿真波形
从输出波形(out)可以看出,电压很稳定,没有纹波。
1.3 设计电路的应用效果
经改进后的电源电路,在实验室的实际使用中,再未发现死机或不能正常复位现象,证明通过EDA仿真所设计的电路在使用中获得成功。
2 结 语
用EDA仿真技术能方便电路设计,并可验证电路
设计的正确性。通过对两种电路的仿真对比,说明改进后电源电路带负载能力强,这在实际使用中得到验证。
参考文献
[1]王涛.数字集成电路的故障诊断和故障仿真技术的研究 [D].成都:电子科技大学,2005.
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[8]朱勇.Protel DXP范例入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2004.
但随着技术的不断发展，出现了混合集成电路设计的概念，从而克服了采用分离器件设计电路所存在的问题。混合集成电路DC/DC系统相对于传统的用分离器件设计的电源变换电路系统来说，具有高性价比、高可靠性、高速度、设计周期短等一系列的优点。
本文结合Fairchild公司设计的系列产品，对混合集成电路DC/DC变换器的设计原理、性能及应用等进行了分析研究。
混合集成电路DC/DC变换器的集成化设计方案
根据用户需求和设计的目的不同，Fairchild公司推出的混合集成电路DC/DC变换器主要采用两种设计方案。而每一种设计方案，电路的设计上又有细微的差，可以满足不同用户的需要。
1 混合集成电路DC/De变换器设计方案1
在混合集成电路DC/DC变换器中，内部电路集成了控制器、驱动器和MOSFE了等三种离散器件。对于每一类产品，其内部电路设计采用的离散器件可以包括三种离散器件中的全部或部分，具体的设计可根据用户的实际需要进行设计。混合集成电路DC/DC变换器设计方案l的电路原理如图1所示。
从混合集成电路DC/DC变换器设计原理图可以看出，该电路中主要包括控制器、驱动器和MOSFE了等有源器件模块。在实际使用时，电源输出端需要外接电感、电容等器件对输出电压信号进行滤波，同时，输出的电压信号需要接到电路的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。
采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器含有控制器、驱动器和MOSFE了等有源器件，其整机效率可以高达95％，电源变换系统性能高，相对于标准模块具有更高的性价比。
采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效应低，输出电压纹波低，温度范围宽。
2 混合集成电路DC/DC变换器设计方案2
混合集成电路DC/DC变换器设计方案2是在一片混合集成电路DC/DC的设计中采用了两片专用或优化了MOSFET的同步BU CK电源转换拓扑结构，其电路原理如图2所示。
采用方案2设计的混合集成电路DC/DC变换器中，两个MOSFET器件具有互补的作用，以降低开关损耗，而这两个器件的设计位置可根据设计者的实际需要进行布局。该芯片还内置直通保护电路，可以有效防止电路上下桥臂的直通，大大地提高了电路的可靠性。在驱动电路设计部分，不仅比常规的电源变换设计增加了驱动能力，减少MOSFET的开通关断损耗，还把Boost-trap二极管也集成在芯片内部，以简化外部用户系统电路的设计。
DC/DC变换器的电压输出端需要外接电感和电容，对输出电压信号进行滤波，以满足用户系统电路的需要。变换器输出的电压信号需要接到芯片的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。
采用此方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驱动集成电路加两个功率MOSFE了的设计方法，寄生效应极低，输出电压纹波低，工作温度范围宽，且节省了大量的板空间。
接口设计
采用Fairchild公司DC/DC变换器方案设计的电源变换器具有较大的电压输入范围，可根据需要在3.3～24V之间调整，该公司DC/DC变换器的输出电流可达到30A，输出电压范围根据需要可设计为高到输入电压的90％或低到O.8V。
Fairchild公司的DC/DC变换器除了基本的电压输入、输出端口外，一般还有HDRV(上桥臂MOSFET驱动引脚)、LDRV(下桥臂MOSFET驱动引脚)、GLDO(门驱动信号引脚)、DISB(禁止信号引脚)、PWM(脉宽调制信号引脚)、BOOT(反馈信号引脚)等信号端口，具体到各型器件则会有微小的差异。
功耗情况
消费类电子产品由于使用环境以及自身条件的限制，用户对所选用器件的功耗要求非常苛刻，尤其是电源变换器等便携式设备。
以Fairchild公司的产品为例，其混合集成电路DC/DC变换器采用集成化方案设计，并力求减小MOSFET的开通关断损耗，整机效率可高达95％。由于该变换器具有较高的转换效率，因此内部电路热损耗低，在实际使用中只需要使用较小的散热器或不用散热器，从而可以降低系统电路的总体设计成本。
封装形式与尺寸
由于数码相机、摄像设备、媒体播放器、桌面电脑等电子设备的外型力求小巧，因此这类产品对内部电路设计中器件的选用也同样要求小巧而高效。
很多电源公司都采用了更小更薄的封装形式，以节省系统电路的设计空间。如Fairchild公司的FAN5069采用了SSOP-16封装形式，尺寸仅为1.1mm×5mm×6.4mm，FDMF8700采用SMD封装形式，尺寸仅为O.8mm×8mm×8mm。
混合集成电路DC/DC变换器的在系统应用
混合集成电路DC/DC变换器在系统电路中应用时，需要提供必要的外接器件和控制信号。
在变换器的输入端，需要输入合适的控制信号及直流电压，以保证电路内部的各分离器件按设计的意图工作。同时，为了滤除输入电压信号上的噪声，建议在输入电压和地之间接入旁路电容，其容值应大于1μF。
在变换器的电压输出端需要接入合适参数的电感、电容，以滤除输出电压上的噪声。混合集成电路的输出电压需要通过自举电容接到电路的反馈引脚，以保证电路能够正常工作。
混合集成电路FDMF8700为Fairchild公司推出的采用混合集成电路设计方案2的一种产品，其特点有：输入电压典型值12V，开关频率最大可达500kHz，输出电流最大可达30A，器件内在的适应性门驱动，内部集成的自举二极管，器件最高效率大干90％，低压锁定，输出电压可禁止，采用微型SMD封装形式，产品制造使用无铅材料。FDMF8700电源变换器的典型应用电路如图3所示。
图3的电路中，DISB端为输出禁止信号，可以方便地开关整个电源。PWM端为脉宽调制信号，用来驱动上桥臂和下桥臂的MOSFET，VIN和VCIN端为输入电压信号，VOUT端为输出电压信号，输出电压通过自举电容CBOOT反馈到变换器的BOOT端。详细电路设计请参照该芯片的技术说明书。
上图应用电路中输入信号和各外接器件参数的选取可根据用户实际需要来具体确定。
结语
本文以Fairchild推出的系列产品为例对混合集成电路DC/DC变换器的设计与应用进行了分析研究。
【关键词】微电子学 集成电路 半导体
微电子学与集成电路是现代信息技术的基础，各类高新行业在具体发展中，均会对微电子学和集成电路进行应用。其中，集成电路选择半导体镜片作为基片，并结合相关工艺，将电阻、电容等元件与基片连接，最终形成一个具备完整电路功能的系统或是电路。较比集成电路微电子学是在集成电路的基础上，研究半导体和集成电路的相关物理现象，并有效的对其进行应用，满足各类电子器件需求的效果。基于此，本文对当前微电子学与集成电路展开分析，具体内容如下。
1 微电子学与集成电路解读
微电子学是电子学的分支学科，主要致力于电子产品的微型化，达到提升电子产品应用便利和应用空间的目的。微电子学还属于一门综合性较强学科类型，具体的微电子研究中，会用到相关物理学、量子力学和材料工艺等知识。微电子学研究中，切实将集成电路纳入到研究体系中。此外，微电子学还对集成电子器件和集成超导器件等展开研究和解读。微电子学的发展目标是低能耗、高性能和高集成度等特点。
集成电路是通过相关电子元件的组合，形成一个具备相关功能的电路或系，并可以将集成电路视为微电子学之一。集成电路在实际的应用中具有体积小、成本低、能耗小等特点，满足诸多高新技术的基本需求。而且，随着集成电路的相关技术完善，集成电路逐渐成为人们生产生活中不可缺少的重要部分。
2 微电子发展状态与趋势分析
2.1 发展与现状
从晶体管的研发到微电子技术逐渐成熟经历漫长的演变史，由晶体管的研发以组件为基础的混合元件（锗集成电路）半导体场效应晶体管MOS电路微电子。这一发展过程中，电路涉及的内容逐渐增多，电路的设计和过程也更加复杂，电路制造成本也逐渐增高，单纯的人工设计逐渐不能满足电路的发展需求，并朝向信息化、高集成和高性能的发展方向。
现阶段，国内对微电子的发展创造了良好的发展空间，目前国内微电电子发展特点如下：
（1）微电子技术创新取得了具有突破性的进展，且逐渐形成具有较大规模的集成电路设计产业规模。对于集成电路的技术水平在0.8～1.5μm，部分尖端企业的技术水平可以达到0.13μm。
（2）微电子产业结构不断优化，随着技术的革新产业结构逐渐生成完整的产业链，上下游关系处理完善。
（3）产业规模不断扩大，更多企业参与到微电子学的研究和电路中，有效推动了微电子产业的发展，促使微电子技术得到了进一步的完善和发展。
2.2 发展趋势
微电子技术的发展中，将微电子技术与其他技术联合应用，可以衍生出更多新型电子器件，为推动学科完善提供帮助。另外微电子技术与其他产业结合，可以极大的拉动产业的发展，推动国内生产总值的增加。微电子芯片的发展遵循摩尔定律，其CAGR累计平均增长可以达到每年58%。
在未来一段时间内，微电子技术将按照提升集团系统的性能和性价比，如下为当前微电子的发展方向。
2.2.1 硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）
CMOS电路将成为微电子的主流工艺，主要是借助MOS技术，完成对沟道程度的缩小，达到提升电路的集成度和速度的效果。运用CMOS电路，改善芯片的信号延迟、提升电路的稳定性，再改善电路生产成本，从而使得整个系统得到提升，具有极高研究和应用价值。可以将CMOS电路将成为未来一段时间的主要研究对象，且不断对CMOS电路进行缩小和优化，满足更多设备的需求。
2.2.2 集成电路是当前微电子技术的发展重点
微电子芯片是建立在的集成电路的基础上，所以微电子学的研究中，要重视对集成电路研究和分析。为了迎合信息系统的发展趋势，对于集成电路暴露出的延时、可靠性等因素，需要及时的进行处理。在未来一段时间内对于集成电路的研究和转变势在必行。
2.2.3 微电子技术与其他技术结合
借助微电子技术与其他技术结合，可以衍生出诸多新型技术类型。当前与微电子技术结合的技术实例较多，积极为社会经济发展奠定基础。例如：微光机电系统和DNA生物芯片，微光机电系统是将微电子技术与光学理论、机械技术等结合，可以发挥三者的综合性能，可以实现光开关、扫描和成像等功能。DNA生物芯片是将微电子技术与生物技术相结合，能有效完成对DNA、RNA和蛋白质等的高通量快速分析。借助微电子技术与其他技术结合衍生的新技术，能够更为有效推动相关产业的发展，为经济发展奠定基础。
3 微电子技术的应用解读
微电子学与集成电路的研究不断深入，微电子技术逐渐的应用到人们的日常生活中，对于改变人们的生活品质具有积极的作用。且微电子技术逐渐成为一个国家科学技术水平和综合国力的指标。
在实际的微电子技术应用中，借助微电子技术和微加工技术可以完成对微机电系统的构建，在完成信息采集、处理、传递等功能的基础上，还可以自主或是被动的执行相关操作，具有极高的应用价值。对于DNA生物芯片可以用于生物学研究和相关医疗中，效果显著，对改善人类生活具有积极的作用和意义。
4 结束语
微电子学与集成电路均为信息技术的基础，其中微电子学中囊括集成电路。在对微电子学和集成电路的解析中，需要对集成电路和微电子技术展开综合解读，分析微电子技术的现状和发展趋势，再结合具体情况对微电子技术的当前应用展开解读，为微电子学与集成电路的创新和完善提供参考，进而推动微电子技术的发展，创造更大的产值，实现国家的持续健康发展。
参考文献
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作者简介
胥亦实（1994-），男，陕西省榆林市人。大学本科学历。现供职于吉林大学。主要研究方向为集成电路工程。
关键词： 数字集成电路 电压匹配 接口技术
一、引言
当今社会是数字化的社会，数字集成电路具有可靠性高、静态功耗小、工作速度高、寿命长和低成本等优点，因此它在通信、电力、自动化设备和家用电器等诸多方面得到了广泛应用。目前数字集成电路种类繁多，不同类型的集成电路在连接时，如果逻辑电平不匹配，且考虑到负载能力的限制，那么中间就需要串入接口电路，否则将引起逻辑混乱，甚至损坏集成芯片。因此，为了更好地使用数字集成电路，就有必要对其具体使用方法和接口技术要有一定的认识。
二、数字集成电路的分类
按照电路结构的不同，数字集成电路可分为两大类：一类是双极型集成电路，采用晶体管作为开关元件，管内有电子和空穴两种极性的载流子参与导电；另一类采用绝缘栅场效应晶体管作开关元件，称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成电路。这种管子内部只有一种载流子，即电子或空穴参与导电，故又称单极型集成电路。下面我对这两种类型的数字集成电路予以简要说明。
（一）双极型集成电路
TTL电路（Transistor-Transistor Logic即晶体管――晶体管逻辑电路）也称为TL，是目前双极型数字集成电路中应用得最多的一种。它具有较快的开关速度、较强的抗干扰能力，以及足够大的输出幅度，且带负载能力也比较强，所以得到了最为广泛的应用［1］。
在双极型数字集成电路中，除了TTL电路以外，还有高阈值逻辑（High Threshold Logic，简称HTL）、二极管―三极管逻辑（Diode-Transistor Logic，简称DTL）、发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic，简称ECL）和集成注入逻辑（Integrated Injection Logic，简称IL）等几种逻辑电路。其中较为常用是ECL电路，其电路中的三极管工作在非饱和状态，是一种非饱和电路，有极高的工作速度。此外它还具有输出阻抗低、带负载能力强、电路内部开关噪声低、使用方便灵活等优点。它的主要缺点是：噪声容限低，电路功耗大，输出电平的稳定性较差。目前ECL电路主要用于高速、超高速数字系统中。
（二）MOS集成电路
MOS数字集成电路是指只有一种载流子参与导电的电路，其中只有电子参与导电的称为NMOS电路；只有空穴参与导电的称为PMOS电路；如果是用NMOS及PMOS复合起来构成的互补（Complementary）MOS集成电路，则称为CMOS电路。PMOS和NMOS组件中各只含有一种MOS管，习惯上称它们为MOS集成电路，以与CMOS集成电路相区别。
PMOS集成电路问世较早，但由于其速度低，现已很少使用；NMOS集成电路速度稍高，且直流电源电压较低，在工艺上可以制造出开启电压较低的器件，故NMOS集成电路仍在使用中。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。
三、CMOS电路和TTL电路的使用注意事项
由于CMOS与TTL数字集成电路有其各自的工作特点，因此在应用数字集成电路时对其要有正确的使用方法。下面我就对CMOS与TTL相应使用事项作以简要说明。
（一）CMOS电路的使用知识
1.输入电路的静电保护
CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点。
（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。
（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。
2.多余的输入端不能悬空
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其他输入端并联使用。
（二）TTL电路的使用知识
1.多余输入端处理方法
（1）与其他输入端并联使用。
（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。
2.电路的抗干扰处理
（1）在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦电容和0.01―0.047μF的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。
（2）整机装置应有良好的接地系统［2］。
四、常用数字集成电路接口技术
在数字系统设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，而由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因此需要采用接口电路来连接不同类型的集成电路。如TTL和CMOS电路需要采用接口电路一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。下面我就CMOS电路和TTL电路之间的接口问题加以分析［3］。
（一）TTL门驱动CMOS门
1.电平不匹配2.电流匹配
因为CMOS输入电流几乎为零，所以TTL驱动CMOS在电流的兼容性上不存在问题。
3.解决电平不匹配问题的方法
（1）外接上拉电阻在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻R5V。（如图1所示）
图1 TTL驱动CMOS接口电路
（2）选用电平转换电路（如CC40109）
若电源电压不一致时可选用电平转换电路。CMOS电路的电源电压可选3―18V；而TTL电路的电源电压只能为5V。
（3）采用TTL的OC门实现电平转换。
若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。
（二）CMOS门驱动TTL门
1.电平匹配
CMOS门电路作为驱动门，U.8V。电平匹配是符合要求的。
2.电流不匹配
由于TTL门电路的低电平输入电，而CMOS门电路的低电平输出电流远小于1.6mA，因此电流不匹配，需要加接口电路。
3.解决电流匹配问题的方法
（1）选用CMOS缓冲器：比如，CC4049的驱动电流可达4mA，完全可以满足TTL输入电流的要求。（如图2所示）
图2 CMOS驱动TTL接口电路
（2）选用高速CMOS系列产品：如选用CMOS的54HC/74HC系列产品可就以直接驱动TTL电路。
（3）CMOS电路并联驱动TTL，这种方法只允许在CMOS为同一集成芯片时使用。
五、结语
在数字电路或数字系统的设计中，常常需要根据设计指标对工作速度或功耗的要求选用不同类型的数字集成电路。因此不同类型的集成电路在混合使用时，要根据其相应引脚的逻辑电平和带负载能力采用相应的接口电路，这样才能确保电路逻辑准确、性能可靠。
参考文献：
［1］阎石.数字电子技术基础（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.5.
［2］侯伯享.数字系统设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.1.
关键词：集成电路 寿命仿真 分析流程 竞争失效 CALCE-PWA
中图分类号：V263.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0067-04
由于电子设备对温度、振动最为敏感，且根据对电子产品失效原因的统计，温度因素占43.3%，振动因素占28.7%，由这2种应力作用导致的产品的失效为71%[1]。因此，研究集成电路寿命需主要对温度和振动2种应力进行仿真、评估并预计。据此寿命仿真主体结构中涉及的仿真项目主要有热仿真、振动仿真、故障预计仿真。在诸如印刷电路板的典型电子产品的服役期内，热应力、机械应力是产品所承受的主要环境载荷。文献[2-4]从器件级薄弱环节的失效物理建模出发，通过对整板PCB的振动仿真与实验，计算了元器件的寿命。文献[5-7]研究了集成电路的寿命试验条件，并对PCB电路板组件的温度分布进行了仿真与实验研究。此外，国内外学者针对集成电路的失效类别、失效原因开展了大量研究。但是上述研究较多的依赖物理样机试验，且计算集成电路寿命时未能综合考虑集成电路复杂的失效因素。
该文基于协同仿真技术，采用竞争失效机制，选用电子产品中的一个整板PCB作为研究对象，对集成电路寿命进行预测，可在产品设计阶段对集成电路的可靠性进行评估，并减少物理样机试验成本。
1 寿命分析流程
基于竞争失效机制的集成电路寿命预测的仿真分析流程如图1所示。首先基于集成电路封装类型完成模型建立；然后分别从热仿真、振动仿真中导入模型所需应力参数，加载集成电路寿命剖面；最后根据竞争失效机制，获取集成电路寿命。其中，集成电路管脚与电路板基板的互连处模型的建立采用竞争失效法则（即“最小薄弱原理”）。
整个流程中各主要步骤如下所示。
（1）获取集成电路以及电路板组件结构及工艺信息。
（2）根据电路板组件工作环境条件制定寿命周期环境剖面。
（3）基于ANSYS软件进行仿真分析，获取热仿真与振动仿真结果，为基于失效物理的故障预计提供数据支撑。
（4）建立热故障预计模型与振动故障预计模型，分别进行寿命仿真分析，可得到故障预计结果，基于竞争失效机制，确定集成电路失效状态，并得到寿命仿真计算结果。
2 研究对象
项目选取的某PCB电路板组件有限元模型网格划分图如图2所示，图右显示了集成电路详细模型的网格划分效果。电路板组件模型采用SolidWorks软件建立，对目标集成电路进行详细的三维模型建模，对其他元器件采用长宽高与之相同的长方体等效处理。使用ANSYS软件进行仿真分析，用内部MPC约束算法建立接触单元来处理各元器件和电路板基板的装配关系。
3 寿命周期环境剖面
热仿真分析环境条件根据基本试验中的各种工作环境温度以及产品工作时对应的环控条件制定。因此，参考典型电子装备高温低温试验条件[8]，确定仿真温度环境如下：热天地面阶段工作和不工作温度为+70 ℃，冷天地面阶段工作和不工作温度为-55℃；热天飞行阶段工作温度为+55 ℃，冷天飞行阶段工作温度为-40 ℃。
参照典型电子装备环境试验条件，确定电路板随机振动试验的功率谱密度，其最大值W0为0.04 g2/Hz。综上，按照电路板实际工作条件，将环境应力简化为温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和随机振动，见表1。
4 有限元仿真分析
4.1 热仿真分析
针对工作环境温度为70 ℃、55 ℃、-40 ℃、-55 ℃的情r进行稳态热分析，表2为环境温度70 ℃时电路板组件温度云图和集成电路温度云图。
通过对70 ℃工作环境温度下电路板、集成电路温度数据进行统计，得热分析结果，电路板组件平均温度为80.4 ℃，温升为10.4 ℃，集成电路平均温度为82.7 ℃，温升为12.7 ℃。
4.2 振动分析
（1）模态分析。
振动分析时将电路板两端插入导轨，故约束两端UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ自由度；同时电路板两侧面被压紧，故约束其UX方向自由度，并将约束载荷置于载荷集Constraints中。获取电路板组件前三阶模态振型如表3所示。
（2）随机振动分析。
在完成模态分析基础上按照振动环境条件开展随机振动分析，可获取位移云图、加速度云图。表4显示了电路板组件位移云图、电路板组件加速度云图。
对随机振动位移与加速度结果进行归纳，可得电路板位移、加速度，集成电路位移，为进行集成电路寿命计算提供数据支撑。
5 寿命仿真分析
5.1 模型建立
该研究中使用的寿命仿真软件工具是CALCE-PWA，该软件是用于电子组件设计和分析的一组集成工具，输入热分析与振动分析的结果，利用其故障模型可对印制板器件进行工作剖面下的故障预计。在完成电路板建模、部件建模和元器件建模的基础上形成最终模型。
5.2 剖面设置
从热仿真结果中获取集成电路平均壳温和集成电路安装位置的电路板表面平均温度，并按照温度剖面将集成电路的详细温度数据输入CALCE-PWA软件中；结合随机振动仿真结果设置振动剖面。表5给出温度循环1（冷天工作）、温度循环2（热天工作）和振动剖面示例。
5.3 寿命预计
定义并加载集成电路寿命剖面后，即可以对集成电路在各种类型剖面下的失效前循环数/时间进行计算，汇总结果如表6所示。
通过Miner定理计算集成电路温度循环、随机振动下的平均首发故障前时间，见表7，集成电路失效状态为热失效，失效循环数为260 089。
6 结语
针对集成电路故障预计的仿真是利用结构、工艺和应力等性能参数建立产品的数字模型并进行失效分析。该文介绍了基于竞争失效机制的集成电路寿命评估流程，并以某型号集成电路进行仿真分析，确定了该集成电路的失效状态与失效循环次数。基于虚拟样机技术的集成电路寿命分析方法可应用于产品设计各个阶段，并减少物理样机试验成本，为评估集成电路的可靠性提供依据。
参考文献
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[3] Al-Yafawi A，Patil S，Da Yu，et al.Random vibration test for electronic assemblies fatigue life estimation[A].Proceedings of Intersociety Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference[C].Binghamton：IEEE，2010.
[4] 高Y名，刘莹，马建章.ANSYS 在印制电路板组件随机振动分析中的应用[J].无线电工程，2015（7）：95-98.
[5] Shankaran G V，Dogruoz M B，Dearaujo D.Orthotropic thermal conductivity and Joule heating effects on the temperature distribution of printed circuit boards[A].IEEE Symposium on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems[C].Binghamton：IEEE，2010.
[6] Hatakeyama T，Ishizuka M，Nakagwa S，et al.Development of practical thermal design technique of printed circuit boards for power electronics[A].Proceedings of Intersociety Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conference[C].Binghamton：IEEE，2010.
【关键词】集成电路；设计方法；IP技术
基于CMOS工艺发展背景下，CMOS集成电路得到了广泛应用，即到目前为止，仍有95%集成电路融入了CMOS工艺技术，但基于64kb动态存储器的发展，集成电路微小化设计逐渐引起了人们关注。因而在此基础上，为了迎合集成电路时代的发展，应注重在当前集成电路设计过程中从微电路、芯片等角度入手，对集成电路进行改善与优化，且突出小型化设计优势。以下就是对集成电路设计与IP设计技术的详细阐述，望其能为当前集成电路设计领域的发展提供参考。
1当前集成电路设计方法
1.1全定制设计方法
集成电路，即通过光刻、扩散、氧化等作业方法，将半导体、电阻、电容、电感等元器件集中于一块小硅片，置入管壳内，应用于网络通信、计算机、电子技术等领域中。而在集成电路设计过程中，为了营造良好的电路设计空间，应注重强调对全定制设计方法的应用，即在集成电路实践设计环节开展过程中通过版图编辑工具，对半导体元器件图形、尺寸、连线、位置等各个设计环节进行把控，最终通过版图布局、布线等，达到元器件组合、优化目的。同时，在元器件电路参数优化过程中，为了满足小型化集成电路应用需求，应遵从“自由格式”版图设计原则，且以紧凑的设计方法，对每个元器件所连导线进行布局，就此将芯片尺寸控制到最小状态下。例如，随机逻辑网络在设计过程中，为了提高网络运行速度，即采取全定制集成电路设计方法，满足了网络平台运行需求。但由于全定制设计方法在实施过程中，设计周期较长，为此，应注重对其的合理化应用。
1.2半定制设计方法
半定制设计方法在应用过程中需借助原有的单元电路，同时注重在集成电路优化过程中，从单元库内选取适宜的电压或压焊块，以自动化方式对集成电路进行布局、布线，且获取掩膜版图。例如，专用集成电路ASIC在设计过程中为了减少成本投入量，即采用了半定制设计方法，同时注重在半定制设计方式应用过程中融入门阵列设计理念，即将若干个器件进行排序，且排列为门阵列形式，继而通过导线连接形式形成统一的电路单元，并保障各单元间的一致性。而在半定制集成电路设计过程中，亦可采取标准单元设计方式，即要求相关技术人员在集成电路设计过程中应运用版图编辑工具对集成电路进行操控，同时结合电路单元版图，连接、布局集成电路运作环境，达到布通率100%的集成电路设计状态。从以上的分析中即可看出，在小型化集成电路设计过程中，强调对半定制设计方法的应用，有助于缩短设计周期，为此，应提高对其的重视程度。
1.3基于IP的设计方法
基于0.35μmCMOS工艺的推动下，传统的集成电路设计方式已经无法满足计算机、网络通讯等领域集成电路应用需求，因而在此基础上，为了推动各领域产业的进一步发展，应注重融入IP设计方法，即在集成电路设计过程中将“设计复用与软硬件协同”作为导向，开发单一模块，并集成、复用IP，就此将集成电路工作量控制到原有1/10，而工作效益提升10倍。但基于IP视角下，在集成电路设计过程中，要求相关工作人员应注重通过专业IP公司、Foundry积累、EDA厂商等路径获取IP核，且基于IP核支撑资源获取的基础上，完善检索系统、开发库管理系统、IP核库等，最终对1700多个IP核资源进行系统化整理，并通过VSIA标准评估方式，对IP核集成电路运行环境的安全性、动态性进行质量检测、评估，规避集成电路故障问题的凸显，且达到最佳的集成电路设计状态。另外，在IP集成电路设计过程中，亦应注重增设HDL代码等检测功能，从而满足集成电路设计要求，达到最佳的设计状态，且更好的应用于计算机、网络通讯等领域中。
2集成电路设计中IP设计技术分析
基于IP的设计技术，主要分为软核、硬核、固核三种设计方式，同时在IP系统规划过程中，需完善32位处理器，同时融入微处理器、DSP等，继而应用于Internet、USB接口、微处理器核、UART等运作环境下。而IP设计技术在应用过程中对测试平台支撑条件提出了更高的要求，因而在IP设计环节开展过程中，应注重选用适宜的接口，寄存I/O，且以独立性IP模块设计方式，对芯片布局布线进行操控，简化集成电路整体设计过程。此外，在IP设计技术应用过程中，必须突出全面性特点，即从特性概述、框图、工作描述、版图信息、软模型/HDL模型等角度入手，推进IP文件化，最终实现对集成电路设计信息的全方位反馈。另外，就当前的现状来看，IP设计技术涵盖了ASIC测试、系统仿真、ASIC模拟、IP继承等设计环节，且制定了IP战略，因而有助于减少IP集成电路开发风险，为此，在当前集成电路设计工作开展过程中应融入IP设计技术，并建构AMBA总线等，打造良好的集成电路运行环境，强化整体电路集成度，达到最佳的电路布局、规划状态。
3结论
综上可知，集成电路被广泛应用于计算机等产业发展领域，推进了社会的进步。为此，为了降低集成电路设计风险，减少开发经费，缩短开发时间，要求相关技术人员在集成电路设计工作开展过程中应注重强调对基于IP的设计方法、半定制设计方法、全定制设计方法等的应用，同时注重引入IP设计技术理念，完善ASIC模拟、系统测试等集成电路设计功能，最终就此规避电路开发中故障问题的凸显，达到最佳的集成电路开发、设计状态。
参考文献
[1]肖春花.集成电路设计方法及IP重用设计技术研究[J].电子技术与软件工程,2014,12(06):190-191.
[2]李群，樊丽春.基于IP技术的模拟集成电路设计研究[J].科技创新导报,2013,12(08):56-57.
关键词：“虚短” “虚断” 应用电路
当今世界电子技术飞速发展，集成电路正在逐步取代某些具有特定功能的分立元件电路。在目前使用的电子技术教材中，集成运算放大器的应用电路所占的分量也越来越大，由它们主要构成了信号运算电路、信号处理电路和信号发生器等。
1 集成运放应用的特点及其判断
集成运放的应用分为线性应用和非线性应用，
（1）当集成运放工作在线性区时，集成运放的输入输出成一定的比例关系，即闭环电压放大倍数Auf；（2）当集成运放工作在非线性区，其内部的输出级三极管进入饱和区工作，输出电压与集成运放的输入信号不再呈线型关系，其值近似等于电源电压Uom。
运放工作在哪个区域的判断标准是看集成运放应用电路中是否引入负反馈：如果集成运放的应用电路引入的负反馈，即在单元运放的输出端与反相输入端之间跨接负反馈网络，只要电路中有负反馈网络，则电路工作在线性区，即电压传输特性的斜线区域；如果运放应用电路中没有负反馈网络，即处于开环或具有正反馈，则集成运放工作在非线性区，该单元电路就属于非线性应用。
2 集成运放应用电路基本分析方法
运放的基本分析方法实际是指两个概念——“虚短”、“虚断”，它们是集成运放十分重要的特性。“虚短”、“虚断”是指集成运放的同相输入端和反相输入端即好像是短路，又像是断路的。
由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB 以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。把这种两输入端视为等电位的特性称为虚假短路，简称“虚短”，显然不能将两输入端真正短路。
由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ 以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。把这种两输入端视为等效开路的特性称为虚假开路，简称“虚断”，显然不能将两输入端真正断路。
集成运放两输入端的输入电流近似为0，相当于断路一样，但它们和内部电路又不是真正的断开，所以称为“虚断”。
我们利用“虚短”“虚断”的概念来分析电路，可以大大简化集成运放应用电路的分析过程。但集成运放工作在不同区域时，分析方法不尽相同。集成运放的线性应用电路可以使用“虚短”、“虚断”两个概念进行分析，而集成运放的非线性应用中，“虚短” 不再成立，仅能用“虚断”的概念进行分析。
3 两种应用的实例及分析
3.1 集成运放线性应用电路
以同相比例运算电路为例，电路结构如图1，具体说明分析步骤：
（1）判断电路中含有负反馈网络，以确定集成运放工作在线性区；此电路含有电压串联负反馈网络；
（2）使用“虚短”、“虚断”和“虚地”的概念分析输入信号与输出之间的比例关系；
参考文献
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